Issuu on Google+

Πρόχειρες Σηµειώσεις Φυσικής Γ Λυκείου Θετικής & Τεχνολογικής Κατεύθυνσης

Μιχάλης Ε. Καραδηµητριου MSc Φυσικός Ηράκλειο Κρήτης 2η ΄Εκδοση - Ιούλης 2013


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

2


Περιεχόµενα 1 Ταλαντώσεις 1.1 Απλή Αρµονική Ταλάντωση . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Περιοδικά Φαινόµενα . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Οι εξισώσεις της Απλής Αρµονικής Ταλάντωσης . . . 1.1.3 Γραφικές παραστάσεις . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 Παραδείγµατα Υπολογισµού Αρχικής ϕάσης . . . . . 1.1.5 Η ∆ύναµη στην Απλή Αρµονική Ταλάντωση . . . . . 1.2 Το σύστηµα ¨Μάζας - Ελατηρίου¨ . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Η ενέργεια στην Απλή Αρµονική Ταλάντωση . . . . . 1.2.2 Ρυθµοί µεταβολής στην Απλή Αρµονική Ταλάντωση . 1.2.3 Η ∆ιαφορά ϕάσης στην απλή αρµονική ταλάντωση . 1.2.4 Η αναπαράσταση του περιστρεφόµενου διανύσµατος 1.2.5 Κρούση και Απλή Αρµονική Ταλάντωση . . . . . . . 1.2.6 Σώµατα που ϐρίσκονται σε επαφή και εκτελούν α.α.τ. 1.3 Ηλεκτρικές Ταλαντώσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Το κύκλωµα L - C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Οι εξισώσεις της Ηλεκτρικής Ταλάντωσης . . . . . . 1.3.3 Γραφικές παραστάσεις . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Η ενέργεια στην Ηλεκτρική Ταλάντωση . . . . . . . . 1.4 Φθίνουσες Ταλαντώσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Μηχανικές Ταλαντώσεις . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Ηλεκτρικές Ταλαντώσεις . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Εξαναγκασµένες Ταλαντώσεις . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Μηχανικές Ταλαντώσεις . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Ηλεκτρικές Ταλαντώσεις . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Σύνθεση Ταλαντώσεων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Κύµατα 2.1 Ορισµός του κύµατος . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Τα είδη των κυµάτων . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Τα στοιχεία του τρέχοντος αρµονικού κύµατος . . . 2.3.1 Η εξίσωση του Αρµονικού Κύµατος . . . . . . 2.3.2 Γραφική παράσταση του αρµονικού κύµατος 2.3.3 Φάση του Αρµονικού Κύµατος . . . . . . . . 2.3.4 Αρµονικό Κύµα µε αρχική ϕάση . . . . . . . 2.4 Συµβολή Κυµάτων . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Σύγχρονες και Σύµφωνες πηγές κυµάτων . . 2.5 Στάσιµα Κύµατα . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Η εξίσωση του Στάσιµου Κύµατος . . . . . . 2.6 Ηλεκτροµαγνητικά Κύµατα . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 9 9 10 11 13 14 16 17 22 23 24 25 27 27 27 29 30 31 37 37 40 42 42 45 46

. . . . . . . . . . . .

51 51 51 53 55 57 59 62 63 64 67 68 72


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου 2.6.1 Το ϕάσµα της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας . . . . . . . . . . 73 2.7 Ανάκλαση - ∆ιάθλαση - Ολική Ανάκλαση . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.7.1 Ανάκλαση του ϕωτός . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.7.2 ∆ιάθλαση του ϕωτός . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.7.3 Ολική Εσωτερική Ανάκλαση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3 Μηχανική Στερεού Σώµατος

81

3.1 Η κινηµατική της κυκλικής κίνησης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.2 Κινήσεις Στερών Σωµάτων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.2.1 Υλικό σηµείο και µηχανικό στερεό . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.3 Ροπή ∆ύναµης - Ισορροπία Στερεού Σώµατος . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.4 Ροπή Αδράνειας

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.5 Θεµελιώδης Νόµος της Στροφικής Κίνησης . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.5.1 Εφαρµογή των Θεµελιωδών Νόµων στην κίνηση στερεού σώµατος

95

3.6 Στροφορµή-∆ιατήρηση Στροφορµής . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.6.1 ∆ιατήρηση της Στροφορµής . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.7 Κινητική Ενέργεια και ΄Εργο στην Στροφική Κίνηση 3.7.1 Κινητική Ενέργεια λόγω µεταφορικής Κίνησης 3.7.2 Κινητική Ενέργεια λόγω περιστροφής

. . . . . . . . . . . 106 . . . . . . . . . . 106

. . . . . . . . . . . . . . . 106

3.7.3 Κινητική Ενέργεια σώµατος που εκτελεί σύνθετη κίνηση . . . . . 106 3.7.4 ΄Εργο κατά την στροφική κίνηση . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.7.5 Ισχύς δύναµης στη στροφική κίνηση . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.7.6 Θεώρηµα ΄Εργου- Ενέργειας στη στροφική κίνηση . . . . . . . . . 108 3.7.7 Η ∆ιατήρηση της Μηχανικής Ενέργειας . . . . . . . . . . . . . . 109 4 Κρούσεις

111

4.1 Τα είδη της κρούσης, ανάλογα µε την διεύθυνση κίνησης των σωµάτων πριν συγκρουστούν. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.2 Τα είδη της κρούσης ανάλογα µε την διατήρηση της κινητικής ενέργειας των συγκρουόµενων σωµάτων. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.2.1 Η κεντρική Ελαστική κρούση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.2.2 Η Κεντρική Ανελαστική κρούση

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.2.3 Η Πλάγια ελαστική κρούση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.3 ∆υναµική Ενέργεια µέγιστης ελαστικής παραµόρφωσης . . . . . . . . . 117 5 Φαινόµενο Ντόµπλερ(Doppler)

119

5.1 Ακίνητη πηγή - Ακίνητος παρατηρητής . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2 Ακίνητη πηγή - Κινούµενος παρατηρητής . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.3 Κινούµενη πηγή - Ακίνητος παρατηρητής . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.4 Γενικές παρατηρήσεις 4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

I Σετ Ασκήσεων 2012 - 2013

125

II

329

Χρήσιµη Τριγωνοµετρία

5


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

6


Πρόλογος

Οι « Πρόχειρες Σηµειώσεις » έχουν σαν στόχο να συνοδεύσουν την διδασκαλία του Μαθήµατος Φυσικής Κατεύθυνσης στους µαθητές της Γ Λυκείου. Ο όρος « πρόχειρες » είναι αναγκαίος γιατί κάθε χρόνο ϑα τίθενται σε αµφισβήτηση από τον συγγραφέα και τους αναγνώστες. Σηµειώνω ότι οι σηµειώσεις έχουν πάρει στοιχεία από διάφορα ϐοηϑήµατα Φυσικής που κυκλοφορούν στα ϐιβλιοπωλεία. Αναφέρω αυτά του Γιώργου ∆ηµόπουλου, ΄Αγγελου & Σπύρου Σαββάλα, Γιώργου Παναγιωτακόπουλου & Γιώργου Μαθιουδάκη που έχουν κάνει καταπληκτική δουλειά. Προφανώς ο στόχος των σηµειώσεων αυτών δεν είναι να υποκαταστήσουν κανένα ϐιβλίο, είναι απλά συνοδευτικές του µαθήµατος. Σε κάθε παϱάγραφο άλλωστε υπάρχουν προτεινόµενες ασκήσεις από τα παραπάνω ϐιβλία για να µελετήσει ο µαθητής. Στο τέλος των σηµειώσεων υπάρχουν τα Σετ Ασκήσεων που δόθηκαν στους µαθητές µου κατά το σχολικό έτος 2012 - 2013 και ϐασίζονται στο ψηφιακό ϐοήθηµα του Υπουργείου Παιδείας (http://www.study4exams.gr). Βέβαια όλο το υλικό είναι δηµοσιευµένο στο http://www.perifysikhs.com.

Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου, Msc Φυσικός


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

8


Κεφάλαιο 1 Ταλαντώσεις 1.1

Απλή Αρµονική Ταλάντωση

1.1.1

Περιοδικά Φαινόµενα

Ονοµάζονται τα ϕαινόµενα που επαναλαµβάνονται κατά τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήµατα. Τέτοια ϕαινόµενα είναι η κυκλική οµαλή κίνηση, η κίνηση του εκκρεµούς κ.ά. Κάθε περιοδικό ϕαινόµενο χαρακτηρίζεται από την Περίοδο (T ), τη Συχνότητα (f ) και την γωνιακή συχνότητα (ω)

ˆ Περίοδος (Τ) ενός περιοδικού ϕαινοµένου είναι ο χρόνος που απαιτείται για µια πλήρη επανάληψη του ϕαινοµένου. Αν σε χρόνο t γίνονται Ν επαναλήψεις του ϕαινοµένου, τότε η περίοδος είναι ίση µε το πηλίκο :

T =

t N

(1.1)

Μονάδα µέτρησης της περιόδου είναι το 1 s.

ˆ Συχνότητα (f ) ενός περιοδικού ϕαινοµένου ειναι το πηλίκο του αριθµού Ν των επαναλήψεων του ϕαινοµένου σε ορισµένο χρόνο t, προς το χρόνο t. ∆ηλαδή :

f=

N t

(1.2)

Μονάδα µέτρησης της συχνότητας είναι το 1 Hz ή 1 s−1 Από τον ορισµό τους, τα µεγέθη περίοδος και συχνότητα είναι αντίστροφα και συνδέονται µε την σχέση :

f=

1 T

(1.3)

ˆ Η γωνιακή συχνότητα (ω )είναι ένα µέγεθος που αναφέρεται σε όλα τα περιοδικά ϕαινόµενα και δίνεται από την σχέση :

ω=

2π = 2πf T

(1.4)

Η γωνιακή συχνότητα είναι ίση µε το µέτρο της γωνιακής ταχύτητας στην οµαλή κυκλική κίνηση και εκφράζει τον αριθµό των επαναλήψεων ενός ϕαινοµένου σε χρόνο 2πsec. Μονάδα µέτρησης της συχνότητας είναι το 1rad/sec.


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

1.1.2

Οι εξισώσεις της Απλής Αρµονικής Ταλάντωσης

Ταλάντωση ονοµάζεται µια παλινδροµική περιοδική κίνηση.Γραµµική ταλάντωση ονοµάζεται η ταλάντωση που εξελίσσεται πάνω σε ευθεία τροχιά. Μια ειδική περίπτωση γραµµικής ταλάντωσης είναι η απλή αρµονική ταλάντωση (α.α.τ.). ΄Εστω ένα σώµα που κινείται παλινδροµικά πάνω σε ένα άξονα γύρω από την αρχή Ο του άξονα, που είναι το µέσον της τροχιάς του. Αν η αποµάκρυνση χ του σώµατος από το σηµείο Ο είναι αρµονική συνάρτηση του χρόνου t, δηλαδή δίνεται από την σχέση :

x = Aηµ(ωt + φ0 )

(1.5)

τότε η κίνηση του σώµατος λέγεται απλή αρµονική ταλάντωση. Το Α είναι η µέγιστη αποµάκρυνση, δηλαδή η µέγιστη απόσταση από το σηµείο Ο στην οποία ϕτάνει το σώµα και ονοµάζεται Πλάτος της ταλάντωσης. Η γωνία φ = ωt + φ0 που η τιµή της καθορίζει και την τιµή της αποµάκρυνσης χ του σώµατος την χρονική στιγµή t ονοµάζεται ϕάση της ταλάντωσης.Το σηµείο Ο είναι η ϑέση ισορροπίας της ταλάντωσης. Η ϕάση αυξάνεται συνεχώς µε τον χρόνο και σε χρονικό διάστηµα ∆t = T αντιστοιχεί σε αύξηση της ϕάσης κατά ∆φ = 2πrad Η ποσότητα φ0 είναι η ϕάση της ταλάντωσης για την χρονική στιγµή t = 0 και γιάυτό ονοµάζεται αρχική ϕάση. Ουσιαστικά η αρχική ϕάση καθορίζεται από τις ¨αρχικές συνθήκες¨ της απλής αρµονικής ταλάντωσης ( ϑέση, ταχύτητα, επιτάχυνση). Για την αρχική ϕάση ισχύει :

0 ≤ φ0 < 2π Η ταχύτητα του σώµατος κάθε χρονική στιγµή δίνεται από την σχέση :

υ=

dx = υmax συν(ωt + φ0 ) dt

(1.6)

όπου υmax = ωA η µέγιστη τιµή του µέτρου της ταχύτητας του σώµατος. Το σώµα έχει µέγιστη ταχύτητα, όταν διέρχεται από την ϑέση ισορροπίας Ο (x = 0). Η επιτάχυνση του σώµατος κάθε χρονική στιγµή δίνεται από την σχέση :

α=

dυ = −αmax ηµ(ωt + φ0 ) dt

(1.7)

όπου αmax = ω 2 A η µέγιστη τιµή του µέτρου της επιτάχυνσης του σώµατος. Το σώµα έχει µέγιστη επιτάχυνση, όταν ϐρισκεται στις ακραίες ϑέσης της ταλάντωσης (x = ±A). Οι χρονικές εξισώσεις (1.5),(1.6),(1.7) αποµάκρυνσης,ταχύτητας και επιτάχυνσης είναι η ¨ταυτότητα¨ της κάθε κίνησης στην µηχανική και συγκροτούν την Κινηµατική προσέγγιση του προβλήµατος. Για την περίπτωση της απλής αρµονικής ταλάντωσης οι εξισώσεις αυτές είναι περιοδικές συναρτήσεις του χρόνου 10


Πρόχειρες Σηµειώσε��ς Γ Λυκείου Σχέση στιγµιαίας επιτάχυνσης-αποµάκρυνσης (1.5) γράφεται :

Η σχέση (1.7) µε την ϐοήθεια της

α = −αmax ηµ(ωt) = −ω 2 Aηµ(ωt) = −ω 2 x

(1.8)

Από την τελευταία σχέση προκύπτει ότι η επιτάχυνση α και η αποµάκρυνση x του σώµατος έχουν πάντα αντίθετη ϕορά, ή µε άλλα λόγια, ότι η επιτάχυνση έχει πάντοτε ϕορά προς την ϑέση ισορροπίας Ο. Σχέση στιγµιαίας ταχύτητας-αποµάκρυνση Η αλγεβρική τιµή της ταχύτητας σε µια τυχαία χρονική στιγµή και της αποµάκρυνσης την ίδια χρονική στιγµή συνδέονται µε την σχέση : √ (1.9) υ = ±ω A2 − x2 η απόδειξη κάτω

της σχέσης προκύπτει µε δύο τρόπους παραθέτω τον πρώτο παρα-

x x2 x = Aηµ(ωt) ⇒ = ηµ(ωt) ⇒ 2 = ηµ2 (ωt) A A

και

υ = ωAσυν(ωt) ⇒

υ2 υ = συν(ωt) ⇒ 2 2 = συν 2 (ωt) ωA ω A

προσθέτοντας κατά µέλη τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει :

√ x2 υ2 2 2 = ηµ (ωt) + συν (ωt) = 1 ⇒ υ = ±ω + A2 − x2 A2 ω 2 A2

1.1.3

Γραφικές παραστάσεις

Στα διαγράµµατα των παραπάνω σχηµάτων αποδίδεται η µεταβολή της αποµάκρυνσης, της ταχύτητας και της επιτάχυνσης σε συνάρτηση µε τον χρόνο για ένα σώµα που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε φ0 = 0. Τι πληροφορίες µπορούµε να πάρουµε από τις παραπάνω γραφικές παραστάσεις· α)

Η χρονική στιγµή t = 0 µας δίνει την αρχική ϕάση φ0 .

ϐ) Η ταχύτητα του σώµατος µηδενίζεται στις ακραίες ϑέσεις, ενώ µεγιστοποιείται όταν το σώµα διέρχεται από την ϑέση ισορροπίας. γ) Η επιτάχυνση του σώµατος µηδενίζεται όταν το σώµα διέρχεται από την ϑέση ισορροπίας του, ενώ µεγιστοποιείται όταν το σώµα ϕτάνει σε ακραία ϑέση. 11


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Σχήµα 1.1: ∆ιάγραµµα Αποµάκρυνσης - χρόνου

Σχήµα 1.2: ∆ιάγραµµα Ταχύτητας - χρόνου

12


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Σχήµα 1.3: ∆ιάγραµµα Επιτάχυνσης - χρόνου

δ)

Τα διανύσµατα της αποµάκρυνσης, της ταχύτητας και της επιτάχυνσης έχουν :

ˆ Θετική αλγεβρική τιµή όταν έχουν ϕορά προς τα πάνω ή προς τα δεξιά. ˆ Αρνητική αλγεβρική τιµή όταν έχουν ϕορά προς τα κάτω ή αριστερά. Πολλές ϕορές η εκφώνηση της άσκησης καθορίζει την ϑετική ϕορά δ) ΄Οταν το σώµα αποµακρύνεται από την ϑέση ισορροπίας, η ταχύτητα του ελαττώνεται κατά µέτρο( άρα επιτάχυνση αντίθετη στην ταχύτητα) , ενώ όταν το σώµα πλησιάζει προς την ϑέση ισορροπίας, η ταχύτητα του αυξάνεται κατά µέτρο( άρα επιτάχυνση και ταχύτητα στην ίδια ϕορά)

1.1.4

Παραδείγµατα Υπολογισµού Αρχικής ϕάσης

π.χ.1 ΄Ενα σώµα που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση την χρονική στιγµή t = 0 ϐρίσκεται στην ακραία ϑετική ϑέση (x = +A). Να υπολογίσετε την αρχική ϕάση της ταλάντωσης. Λύση

Αφού εκτελεί α.α.τ. ⇒ x = Aηµ(ωt + φ0 ) την χρονική στιγµή t = 0 ⇒

+A = Aηµ(φ0 ) ⇒ ηµ(φ0 ) = +1 ⇒ φ0 = 2kπ + π/2 ⇒ φ0 = π/2rad π.χ.2

΄Ενα σώµα που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση ξεκινά την χρονική στιγµή

t = 0 από την ϑέση ισορροπίας και κινείται µε ϕορά προς την ακραία αρνητική ϑέση.Να υπολογίσετε την αρχική ϕάση της ταλάντωσης. 13


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Λύση Αφού εκτελεί α.α.τ. ⇒ x = Aηµ(ωt + φ0 ) την χρονική στιγµή t = 0 ϐρίσκεται στην ϑέση x = 0 ⇒ 0 = Aηµ(φ0 ) ⇒ ηµ(φ0 ) = 0 ⇒ φ0 = 2kπ ή φ0 = 2kπ+π . Ταυτόχρονα όµως για t = 0, υ = −υmax ⇒ συν(φ0 ) = −1 ⇒ φ0 = πrad π.χ.3 ΄Ενα σώµα που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση ϐρίσκεται την χρονική στιγµή t = 0 στη ϑέση x = +A/2 και κινείται προς την ϑέση ισορροπίας. Να υπολογίσετε την αρχική ϕάση της ταλάντωσης. Λύση Αφού εκτελεί α.α.τ. ⇒ x = Aηµ(ωt + φ0 ) την χρονική στιγµή t = 0 ϐρίσκεται στην ϑέση x = +A/2 ⇒ A/2 = Aηµ(φ0 ) ⇒ ηµ(φ0 ) = 1/2 ⇒ φ0 = 2kπ+π/6 ή φ0 = 2kπ + π − π/6. Ταυτόχρονα όµως για t = 0, υ < 0 ⇒ συν(φ0 ) < 0 ⇒ φ0 = π − π/6 = 5π/6rad(2ο τεταρτηµόριο) * ΄Αν για την στιγµή t = 0 κινούνταν προς την ακραία ϑετική ϑέση τότε

υ > 0 ⇒ φ0 = π/6rad

1.1.5

Η ∆ύναµη στην Απλή Αρµονική Ταλάντωση

΄Οταν ένα σώµα µάζας m εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση, τότε σε µια τυχαία ϑέση της τροχιάς του έχει επιτάχυνση α, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση της κίνησης του. Η συνολική δύναµη που δέχεται το σώµα και είναι υπεύθυνη για την επιτάχυνση του δίνεται από τον ϑεµελιώδη Νόµο της µηχανικής :

ΣF = mα

(1.10)

όµως λόγω της σχέσης (1.8) προκύπτει

ΣF = −mω 2 x

(1.11)

Αν συµβολίσουµε D = mω 2 , η παραπάνω σχέση γράφεται :

ΣF = −Dx

(1.12)

Η σταθερά αναλογίας D λέγεται σταθερά επαναφοράς της ταλάντωσης και η τιµή της εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του ταλαντούµενου συστήµατος. Από την σχέση (1.12) ϕαίνεται ότι όταν ένα σώµα εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση, η συνολική δύναµη που δέχεται :

ˆ έχει ως ϕορέα την ευθεία πάνω στην οποία γίνεται η ταλάντωση του σώµατος, ˆ είναι ανάλογη µε την αποµάκρυνση του σώµατος από την Θέση Ισορροπίας Ο, ˆ έχει αντίθετη ϕορά απο την αποµάκρυνση του σώµατος και πάντοτε προς την ϑέση ισορροπίας

ˆ στην ϑέση ισορροπίας ΣF = 0 14


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Η σχέση (1.12) ονοµάζεται και ∆ύναµη Επαναφοράς, αφού δρα έτσι ώστε να επιταχύνει το σώµα πάντα προς την ϑέση ισορροπίας και παριστάνεται γραφικά στο διάγραµµα 1.4 Παρατήρηση: Η σχέση (1.12) αποτελεί ικανή και αναγκαία συν-

Σχήµα 1.4: ∆ιάγραµµα ∆ύναµης– Αποµάκρυνσης ϑήκη, ώστε ένα σώµα να εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Αυτό σηµαίνει πως όταν ϑέλουµε να αποδείξουµε ότι η γραµµική ταλάντωση που εκτελεί ένα σώµα είναι και αρµονική, µπορούµε να αποδείξουµε ότι σε κάθε ϑέση αποµάκρυνσης x από την ϑέση ισορροπίας η συνισταµένη δύναµη που δέχεται το σώµα είναι ανάλογη της αποµάκρυνσης και έχει αντίθετη κατεύθυνση από αυτή. Φυσικά ισχύει και το αντίστροφο, δηλαδή αν ένα σώµα εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση, τότε η συνισταµένη δύναµη που δέχεται σε κάθε ϑέση αποµάκρυνσης x από την ϑέση ισορροπίας ικανοποιεί την σχέση (1.12). Σχέση Περιόδου- σταθεράς επαναφοράς

Από την σχέση

D = mω 2 προκύπτει : ω =

q

από τον ορισµό της γωνιακής συχνότητας ω =

r T = 2π

D m 2π προκύπτει : T

m D

(1.13)

Από την τελευταία σχέση προκύπτει ότι η περίοδος Τ δεν εξαρτάται από το πλάτος Α της ταλάντωσης. Η δύναµη επαναφοράς ως συνάρτηση του χρόνου Από τις σχέσεις

(1.12),(1.5) προκύπτει :

ΣF = Fmax ηµ(ωt + φ0 )

(1.14)

,µε την µέγιστη τιµή του µέτρου της δύναµης Fmax = DA 15


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Σχήµα 1.5: ∆ιάγραµµα ∆ύναµης - Χρόνου

1.2

Το σύστηµα ¨Μάζας - Ελατηρίου¨

Το ποιο χαρακτηριστικό πρόβληµα που ϑα αντιµετωπίσουµε στις µηχανικές ταλαντώσεις είναι το πρόβληµα της µάζας που είναι στερεωµένη στο άκρο ενός ιδανικού ελατηρίου.

Ιδανικό ελατήριο είναι κάθε ελατήριο που µπορεί να ϑεωρηθεί ως αβαρές και υπακούει στον Νόµο του Hooke Fλ = k∆l όπου k είναι η σταθερά του ελατηρίου (εξαρτάται από το υλικό του ελατηρίου) και ∆l είναι η επιµήκυνση ή συµπίεση του ελατηρίου από την Θέση Φυσικού µήκους του. Η δύναµη Fλ έχει τέτοια ϕορά ώστε να επαναφέρει το ελατήριο στην αρχική του κατάσταση ϕυσικού µήκους (l0 ) Η ∆ύναµη Ελατηρίου (Fλ ) συµπίπτει µε την δύναµη επαναφοράς µόνο στην πεϱίπτωση του οριζοντίου ελατηρίου, όπου η ϑέση ισορροπίας και η ϑέση ϕυσικού µήκους συµπίπτουν, αντίθετα στην περίπτωση του κατακόρυφου ή κεκλιµένου συστήµατος η ϑέση ισορροπίας και η ϑέση ϕυσικού µήκους είναι διαφορετικές, άρα δεν συµπίπτουν οι δύο δυνάµεις µεταξύ τους. Πώς αποδεικνύουµε ότι ένα σώµα το οποίο είναι δεµένο σε ελατήριο εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση, αν το διεγείρουµε από την κατάσταση ισορροπίας του ; 16


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Βήµατα - µεθοδολογία σε προβλήµατα οριζοντίων και κατακόρυφων ελατηρίων που στο άκρο τους έχουν σώµα µάζας m 1ο : Σχεδιάζουµε το ελατήριο στο ϕυσικό του µήκος, το σώµα στην ϑέση ισορροπίας και το σώµα σε µια τυχαία ϑέση που απέχει x από την ϑέση ισορροπίας 2ο : Σχεδιάζουµε τις δυνάµεις που ασκούνται στην µάζα στην ϑέση ισορροπίας. Από την συνθήκη ισορροπίας (ΣF = 0) ϐρίσκουµε µια σχέση 3ο : Σχεδιάζουµε τις δυνάµεις που ασκούνται στην τυχαία ϑέση και υπολογίζουµε την ΣF . Προσέχουµε στον υπολογισµό της συνισταµένης δύναµης, από τις δυνάµεις που έχουν την ίδια ϕορά µε την αποµάκρυνση x να αφαιρούµε εκείνες που έχουν αντίθετη ϕορά. 4ο : Αφού καταλήξω σε σχέση της µορφής ΣF = −Dx, µε D ϑετική σταθερά το σώµα ϑα εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε σταθερά επαναφοράς D . 5ο : Το πλάτος Α της ταλάντωσης είναι ίσο µε την αρχική αποµάκρυνση του σώµατος από την Θέση Ισορροπίας. Η περίοδος υπολογίζεται απο την σχέση (1.13) και η εξίσωση της αποµάκρυνσης δίνεται από την (1.5) µε την κατάλληλη αρχική ϕάση φ0

1.2.1

Η ενέργεια στην Απλή Αρµονική Ταλάντωση

Η ενέργεια της ταλάντωσης Ε ενός συστήµατος που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση ισούται µε την ενέργεια που προσφέραµε αρχικά στο σύστηµα για να το ϑέσουµε σε ταλάντωση. Η ενέργεια της ταλάντωσης υπολογίζεται από τον τύπο :

1 E = DA2 2

(1.15)

Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι το πλάτος Α καθορίζεται από την ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή από την ενέργεια που προσφέραµε αρχικά στο σύστηµα ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται. Σε όλη την διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια παραµένει σταθερή.΄Αρα : Η ενέργεια µιας απλής αρµονικής ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη µε το τετράγωνο του πλάτους της. ∆υναµική& Κινητική Ενέργεια Ταλάντωσης Στην διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια εµφανίζεται ως δυναµική ενέργεια ταλάντωσης και ως κινητική ενέργεια ταλάντωσης. Η κινητική και η ∆υναµική ενέργεια υπολογίζονται αντίστοιχα από τις σχέσεις :

1 K = mυ 2 2 1 U = Dx2 2

(1.16) (1.17)

17


5.8<B;62@.G =82 @I=2 P, /1D </I>.; </F=8<=2 x </F 82 @I=2 ;=1001/G<7, /0I/.; 6< 81D <=B2@.G C46<52 FE 8I81;< K=8. 6< .:1DC.8.0K6.; 82 C46<52 ./<6<E1097 F. M1 5I801 <D8A7 827 C46<527, =. B9@. @I=2, @< .G6<; Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου F ′ = Dx .

92. :.9 Απόδειξη της σχέσης U = 12 Dx2 : Αν το σώµα ϐρίσκεται ακίνητο στην ϑέση ιM1 I031 827 C46<527 FE D/1?13GT.8<; 82 30<E;BA /<09=8<=2 σορροπίας Ο, για να µετακινηθεί σε µια άλλη </F ϑέση πρέπει να του ασκηθεί κατάλληληF-=f(x), εξωτερική δύναµη Fξ . Κατά την µετακίνηση αυτή ϑα ασκείται στο σώµα και η δύνα2 µη επαναφοράς. στην ακραία ϑέση (x)FX χωρίς ταχύτητα (=>. (.(0) B<; .G6<;Για να µετακινηθεί. το Toσώµα I031 827 C46<527 </1@2B.4.8<; H7 ϑα πρέπει το µέτρο της εξωτερικής δύναµης να είναι ίσο µε το µέτρο της δύναµης επαναφοράς και να έχει αντίθετη ϕορά, σε κάθε χρονική στιγµή. ∆ηλαδή ϑα πρέπει CD6<5;BA .6I03.;< =81 =4=825<, ./15I6H7 να ισχύει :

W=

( Dx 2

Fξ = −ΣF = −(−Dx) = Dx

U=

( Dx 2

2 Το έργο της εξωτερικής δύναµης είναι ίσο και µε την προσφερόµενη ενέργεια για ((.(3) να αποµακρύνουµε το σώµα κατά x από την ϑέση ισορροπίας. Επειδή η δύναµη είναι µεταβλητού µέτρου το έργο της υπολογίζεται από το εµβαδόν της γραφικής παράστασης Fξ = f (x) 2.

Z5H7 D = mω B<; 1/F8. 2 ((.(3) 3G6.8<;

x = A ηµωt ,

U=

( mω 2 A2 ηµ 2ωt 2

((.(4)

+/F 8;7 =>I=.;7 ((.(2) B<; ((.(4) /01B4/8.; F8; 2 B;628;BA B<; 2 CD6<5;BA .6I03.;< =826 </?A <0516;BA 8<?968H=2 5.8<J9??168<; /.0;1C;B9 5. 81 >0F61 (=>. (.(().

Από το εµβαδόν προκύπτει η ενέργεια που προσφέρεται στο σύστηµα και αποθηκεύεται σάυτό ως ∆υναµική Ενέργεια :

1 WFξ = E = Dx2 2

(1.18)

- 52><6;BA .6I03.;< /1D I>.; 81 =4=825< =. 5;< 8D><G< @I=2 CG6.8<; U ως συναρτήσεις του χρόνου : Αντικαθιστώντας 82K,=>I=2 E = K +στις U σχέσεις 1.16 και 1.17

</F της χρονικές εξισώσεις για την στιγµιαία αποµάκρυνση και στην στιγµιαία ταχύτητα 2 1/1G< </F 8;7 ((.(2) B<; ((.(4) 3G6.8<; 18

E=

( ( mω 2 A 2 (συν 2ωt + ηµ 2ωt ) = mω 2 A2 2 2

E=

( DA2 2

A

E=

( ( ( 2 DA 2 = mω 2 A 2 = mυ max 2 2 2

92. : x, = FX=D 5.8<: 9:16< 5. 81 5.8<8

92. /<0;= CD6< 827 8 81 >0


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου µπορούµε να οδηγηθούµε στις παρακάτω σχέσεις :

1 1 K = m(υmax συν(ωt))2 ⇒ K = mω 2 A2 συν 2 (ωt) 2 2 1 ⇒ K = DA2 συν 2 (ωt) = Eσυν 2 (ωt) 2 1 1 U = D(Aηµ(ωt))2 ⇒ U = DA2 ηµ(ωt) = Eηµ2 (ωt) 2 2

(1.19)

(1.20)

Από τις σχέσεις 1.20 και 1.19 προκύπτει ότι η κινητική και η δυναµική ενέργεια ενός συστήµατος που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µεταβάλλονται περιοδικά µε τον χρόνο. Οι γραφικές παραστάσεις της Κινητικής, της ∆υναµικής και της ολικής ενέργειας της ταλάντωσης σε συνάρτηση µε τον χρόνο ϕαίνονται στο διάγραµµα του παρακάτω σχήµατος :

Σχήµα 1.6: E, K, U σε συνάρτηση µε τον χρόνο

∆ιατήρησης της Ενέργειας : Η ολική ενέργεια Ε στην απλή αρµονική ταλάντωση παραµένει σταθερή και είναι κάθε στιγµή ίση µε το άθροισµα της ∆υναµικής ενέργειας ταλάντωσης και της κινητικής ενέργειας. ∆ηλαδή :

1 1 K + U = E ⇒ mυ 2 + Dx2 = E 2 2 ,όπου ϐέβαια Ε=σταθερή και δίνεται από την σχέση 1.15 Από τα παραπάνω διαπιστώνουµε ότι : 19


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου (α) Στην ϑέση ισορροπίας (x = 0) η ∆υναµική ενέργεια είναι µηδέν, ενώ η Κινητική ενέργεια είναι µέγιστη και ίση µε την Ενέργεια ταλάντωσης. E = Kmax = 1 2 mυmax 2

(ϐ) Στις ακραίες ϑέσεις (x = ±A) η Κινητική Ενέργεια είναι µηδέν, ενώ η ∆υναµική ενέργεια είναι µέγιστη και ίση µε την ενέργεια της ταλάντωσης E = Umax = 1 DA2 2

(γ) Σε οποιαδήποτε ενδιάµεση ϑέση( εκτός από την Θ.Ι.) το σύστηµα έχει και Κινητική και ∆υναµική Ενέργεια και σε κάθε χρονική στιγµή ισχύει η Αρχή ∆ιατήρησης της Ενέργειας

1 1 1 1 2 mυ 2 + Dx2 = E = DA2 = mυmax 2 2 2 2

(1.21)

Γνωρίζοντας την ∆υναµική και την Κινητική Ενέργεια κατά την διάρκεια της απλής αρµονικής ταλάντωσης µπορούµε να περιγράψουµε την κίνηση του σώµατος, χωρίς να χρειάζεται απαραίτητα ο χρόνος. Αυτή η προσέγγιση είναι η Ενεργειακή προσέγγιση της κίνησης, που σε πολλές περιπτώσεις είναι χρησιµότερη από την Κινητική προσέγγιση που απαιτεί γνώση του χρόνου. Παρακάτω παρουσιάζω δύο ϐασικές αποδείξεις : Απόδειξη της σχέσης υmax = ωA

E = Kmax

:

1 m 2 1 2 ⇒ A2 = υmax ⇒A= ⇒ DA2 = mυmax 2 2 D

r

m υmax D

όµως η σταθερά επαναφοράς είναι D = mω 2 ⇒ υmax = ωA

Απόδειξη της σχέσης υ = ±ω A2 − x2

:

r 1 2 1 D 2 1 2 2 2 2 2 mυ + Dx = E = DA ⇒ mυ = D(A − x ) ⇒ υ ± (A − x2 ) 2 2 2 m √ όµως η σταθερά επαναφοράς είναι D = mω 2 ⇒ υ = ±ω A2 − x2 Τα διαγράµµατα U = f (x), K = f (x) στην απλή αρµονική ταλάντωση µική Ενέργεια της ταλάντωσης ϑα δίνεται από την σχέση :

Η δυνα-

1 U = Dx2 µ − A ≤ x ≤ +A 2 Η κινητική Ενέργεια της ταλάντωσης ϑα δίνεται από την σχέση :

1 E = K + U ⇒ K = E − Dx2 µ − A ≤ x ≤ +A 2

(1.22)

΄Αρα η γραφική παράσταση της ∆υναµικής Ενέργειας και της Κινητικής Ενέργειας σε κοινό διάγραµµα σε συνάρτηση µε την αποµάκρυνση από την Θ.Ι. παρουσιάζεται στο Σχήµα 1.7: 20


// " $# %"

##

Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

&" "#

!

.1 -1' .

'

.

&

-

$,

$, &

&

2

, &

&

,

* "#

! αποµάκρυνση Σχήµα 1.7: ∆ιάγραµµα E, K, U µε την ! " * * !"# + , - . $ ! ! + , $ . $ + , )$ ! ! / 0 ) , ) / & ) ) αρµονική) ταλάντωση Η κινηΤα διαγράµµατα U = f (υ), K = f (υ) στην απλή ) 0 0 τική & ) ,ενέργεια&της , 1ταλάντωσης ϑα δίνεται από την σχέση : ) ) 1 K = mυ 2 µ − υmax , ≤ & υ ≤ +υmax 2 *(0 &

Η δυναµική ενέργεια της ταλάντωσης ϑα δίνεται από την σχέση :

1 E = K + U ⇒ U = E − mυ 2 µ − υmax ≤ υ ≤ +υmax 2

(1.23)

΄Αρα η γραφική παράσταση της ∆υναµικής Ενέργειας και της Κινητικής Ενέργειας σε κοινό διάγραµµα σε συνάρτηση µε την απο !#! την ταχύτητα παρουσιάζεται στο Σχήµα %& 1.8: Η ενέργεια στο Ιδανικό Ελατήριο : Στην περίπτωση του ιδανικού ελατηρίου που αναλύσαµε παραπάνω µπορούµε να υπολογίσουµε την ∆υναµική Ενέργεια του ελατηρίου, η οποία χαρακτηρίζεται ώς δυναµική ενέργεια παραµόρφωσης. Υπολογίζεται από την σχέση :

1 Uλ = k(∆l)2 2

(1.24)

, όπου ϐέβαια k η σταθερά του ελατηρίου και ∆l η επιµήκυνση ή συµπίεση του ελατηρίου από το ϕυσικό του µήκος. Προσοχή η ∆υναµική Ενέργεια Ταλάντωσης 21


// " $# %"

##

&" "#

Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

!

.1 (1.

(

.

'

-

$

*+,

*+,

'

'

2

*+,

'

'

*+,

"# !

Σχήµα 1.8: ∆ιάγραµµα E, K, U µε την ταχύτητα & +,

!"# * + , - & ! !* +

) *+( ! ! . (

( ./0

+(

) . (

(

συµπίπτει µε την Ενέργεια του Ελατηρίου µόνο στην περίπτωση του οριζοντίου ελα( ( ./0 τηρίου. + 1 ./0 ( της ∆ύναµης ( του Ελατηρίου µπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω Το έργο σχέση : ' *+,

)0

'

(αρχ)

WFλ = Uλ

(τ λ)

− Uλ

(1.25)

Αντίστοιχα το έργο της δύναµης επαναφοράς µπορεί να υπολογιστεί µε τον ίδιο τρόπο, αν στην ϑέση της ∆υναµικής Ενέργειας Ελατηρίου, ϐάλουµε την ∆υναµική Ενέργεια Ταλάντωσης.

%& Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των !#! Γ. Μαθιουδάκη & Γ. Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 1.1 - 1.108, 2.1 - 2.60, 1.131 - 1.146, 1.149 - 1.156, 1.160, 1.161, 1.172, 1.174, 1.176, 1.178, 1.179, 1.180, 1.183, 1.184, 1.186, 1.187, 1.188, 1.190

1.2.2

Ρυθµοί µεταβολής στην Απλή Αρµονική Ταλάντωση

Ο Ρυθµός µεταβολής είναι από τις ϐασικές έννοιες στην Φυσική καθώς µπορούν να µας δώσουν πληροφορίες για την συµπεριφορά µιας ϕυσικής ποσότητας. Στα µαθηµατικά Γ Λυκείου ϑα µάθουµε ότι ο ϱυθµός µεταβολής µιας συνάρτησης είναι η παράγωγος συνάρτηση. Παρακάτω παρουσιάζω ϱυθµούς µεταβολής ϐασικών µεγεθών στην απλή αρµονική ταλάντωση. 22


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

ˆ Ρυθµός µεταβολής της αποµάκρυνσης

dx dt

dx = υ = ωAσυν(ωt) dt ˆ Ρυθµός µεταβολής της ταχύτητας

(1.26)

dυ dt

dυ = α = −ω 2 Aηµ(ωt) dt ˆ Ρυθµός µεταβολής της ορµης

(1.27)

dP dt

dP = ΣF = −DAηµ(ωt) dt ˆ Ρυθµός µεταβολής της Κινητικής - ∆υναµικής Ενέργειας

(1.28) dK dU , dt dt

Γνωρίζουµε ότι K + U = E ⇒ d(K + U ) = 0, αφού Ε=σταθερή, ⇒ dK = −dU

dK dU =− dt dt

(1.29)

dK dWΣF ΣF · dx dK = = = ΣF · υ ⇒ = −D · x · υ dt dt dt dt

(1.30)

επίσης

και σε συνάρτηση µε τον χρόνο, αντικαθιστώντας τις σχέσεις (1.5),(1.6) προκύπτει :

dK DAω 2 dK = −DAηµ(ωt)ωAσυν(ωt) ⇒ =− ηµ(2ωt) dt dt 2

(1.31)

άρα

dU DAω 2 =+ ηµ(2ωt) dt 2

1.2.3

(1.32)

Η ∆ιαφορά ϕάσης στην απλή αρµονική ταλάντωση

∆ιαφορά Φάσης ∆φ δύο αρµονικά µεταβαλλόµενων µεγεθών λέγεται η διαφορά των ϕάσεων τους. ’Οταν τα δύο µεγέθη έχουν την ίδια γωνιακή συχνότητα ω ,τότε η διαφορά ϕάσης είναι χρονικά σταθερή. Για να ϐρούµε την διαφορά ϕάσης δύο µεγεθών, πρέπει τα µεγέθη να εκφράζονται µε τον ίδιο τριγωνοµετρικό αριθµό. Στην περίπτωση της αποµάκρυνσης και της ταχύτητας µιας απλής αρµονικής ταλάντωσης έχουµε : x = Aηµ(ωt) και υ = υmax συν(ωt) ⇒ υ = υmax ηµ(ωt + π2 ) 23


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ΄Αρα η διαφορά ϕάσης µεταξύ των δύο µεγεθών είναι ∆φ = π2 και προηγείται η ταχύτητα. Η ϕυσική σηµασία αυτής της διαφοράς ϕάσης είναι ότι όταν κάποια χρονική στιγµή η ταχύτητα έχει µια ορισµένη τιµή, η αποµάκρυνση ϑα πάρει την αντίστοιχη τιµή µετά από χρόνο ∆t που αντιστοιχεί σε γωνία ∆φ = π2 , δηλαδή µετά από χρόνο που ϑα δίνεται απο την σχέση :

∆φ =

2π ∆t T

⇒ ∆t =

T 4

΄Αρα αν για παράδειγµα η ταχύτητα πάρει την τιµή υ = +υmax , τότε η αποµάκρυνση ϑα πάρει την τιµή +A σε χρόνο T4 . Στην περίπτωση της αποµάκρυνσης και της επιτάχυνσης µιας απλής αρµονικής ταλάντωσης έχουµε : x = Aηµ(ωt) και α = −αmax ηµ(ωt) ⇒ α = αmax ηµ(ωt + π) ΄Αρα η διαφορά ϕάσης µεταξύ των δύο µεγεθών είναι ∆φ = π και προηγείται η επιτάχυνση. Η ϕυσική σηµασία αυτής της διαφοράς ϕάσης είναι ότι όταν κάποια χρονική στιγµή η επιτάχυνση έχει µια ορισµένη τιµή, η αποµάκρυνση ϑα πάρει την αντίστοιχη τιµή µετά από χρόνο ∆t που αντιστοιχεί σε γωνία ∆φ = π , δηλαδή µετά από χρόνο που ϑα δίνεται από την σχέση :

∆φ =

2π ∆t T

⇒ ∆t =

T 2

΄Αρα αν για παράδειγµα η ταχύτητα πάρει την τιµή α = +αmax /2, τότε η αποµάκρυνση ϑα πάρει την τιµή +A/2 σε χρόνο T2 . Γενικά λέµε ότι δύο αρµονικά µεταβαλλόµενα µεγέθη δεν έχουν διαφορά ϕάσης όταν παίρνουν ταυτόχρονα τις µέγιστες και τις ελάχιστες τιµές τους.

1.2.4

Η αναπαράσταση του περιστρεφόµενου διανύσµατος

Μια ακόµα έξυπνη µέθοδος για την επίλυση ασκήσεων στην απλή αρµονική ταλάντωση. Θα αποδείξουµε την ϕράση :΄Οταν ένα σώµα εκτελεί οµαλή κυκλική κίνηση τότε η προβολή του πάνω σε µια διάµετρο της κίνησης εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Από το σχήµα (1.9) έχουµε ότι : (ΟΣ΄)= (ΟΣ) ηµ(φ) ⇒ x = ηµ(ωt) αφού ϐέβαια ισχύει ότι φ = ωt για το σώµα που εκτελεί οµαλή κυκλική κίνηση µε ω την γωνιακή ταχύτητα του. ΄Αρα για κάθε σώµα που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µπορούµε να υποϑέσουµε ότι υπάρχει ένα περιστρεφόµενο διάνυσµα µήκος Α και γωνιακής ταχύτητας ω . Παράλληλα σε κάθε τεταρτηµόριο είµαστε σε ϑέση να γνωρίζουµε και την ταχύτητα του σώµατος που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε ϐάση το πρόσηµο του συν(φ). Η µέθοδος του περιστρεφόµενου διανύσµατος είναι αρκετά χρήσιµη στον υπολογισµό της αρχικής ϕάσης φ0 . 24


Θα αποδείξουµε ότι: Αν ένα σώµα Σ κάνει οµαλή κυκλική κίνηση σε κύκλο ακτίνας Α τότε η προβολή του Σ’ στον άξονα yy’ κάνει Α.Α.Τ.

Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Σ

Σ΄ x

ωt Άξονας φάσεων

-Α Άξονας ταλάντωσης

Πράγµατι από το σχήµα έχουµε:

Σχήµα 1.9: η αναπαράσταση του περιστρεφόµενου διανύσµατος

ΟΣ’ = ΟΣηµφ Û x = Aηµφ Û x = Aηµωt

Αφού φ=ωt λόγω της οµαλής κυκλικής κίνησης του Σ.

Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ. ΠαναγιωΑυτό µπορεί διατυπωθεί διαφορετικά: τακόπουλου τιςνα ακόλουθες ασκήσεις : 1.162 - 1.165,1.169, 1.191, 1.192, 1.194, 1.196,Αν 1.197, 1.198, 1.200, 1.203, 1.33 - 1.70,Α1.83 - 1.98, 1.101 - 1.108 ένα σώµα κάνει Α.Α.Τ. µε πλάτος µπορούµε να υποθέσουµε ότι

υπάρχει ένα άλλο σώµα το οποίο κάνει οµαλή κυκλική κίνηση σε ακτίνας Α, µε κέντρο τη θέση ισορροπίας. 1.2.5κύκλο Κρούση και Απλή Αρµονική Ταλάντωση ΣεΆρα: πολλά προβλήµατα εµφανίζεται το ϕαινόµενο της Κρούσης ανάµεσα σε σώµατα που εκτελούν απλή αρµονική µετά ή πριν xτην= κρούση. εισάγουµε να την Για κάθε σώµα που ταλάντωση κάνει ταλάντωση Aηµωt Ας µπορούµε ϐασική ιδέα της Κρούσης για µιαένα γρήγορη εφαρµογή σε διάνυσµα προβλήµατα Ταλαντώσεων. υποθέσουµε ότι υπάρχει περιστρεφόµενο µέτρου Α και Η κρούση ϑα παρουσιαστεί αναλυτικά στο τελευταίο κεφάλαιο της ύλης, άρα γωνιακής ταχύτητας ω. εδώ ϑα µείνουµε στις κύριες ιδέες. ΄Εστω ότι δύο σώµατα µε µάζες m1 , m2 κινούνται πάνω στην ίδια ευθεία µε ταχύτητες ~ υ1 , ~υ2 αντίστοιχα. Ταυτόχρονα υποθέτουµε ότι η διάρκεια της κρούσης είναι πολύ µικρή. Παρατηρούµε δύο ϐασικές κατηγορίες κρούσεων.

14 Κώστας Παρασύρης – Φυσικός Ανελαστική Κρούση είναι η περίπτωση κρούσης κατά την οποία έχουµε απώλειες ενέργειας,λόγω ανελαστικών δυνάµεων ή δυνάµεων πλαστικής παραµόρφωσης που ασκούνται κατά την διάρκεια της κρούσης. Αν µετά την κρούση οι νέες ταχύτητες των σωµάτων είναι ~ υ10 , ~υ20 , αντίστοιχα τότε ϑα ισχύει η Αρχή ∆ιατήρησης της Ορµής και της ενέργειας του συστήµατος. ∆ηλαδή : P~oλ(αρχ) = P~oλ(τ λ) ⇒ m1~υ1 + m2~υ2 = m1~υ10 + m2~υ20

(1.33)

Eoλ(αρχ) = Eoλ(τ λ) ⇒ K1 + K2 = K10 + K20 + Eαπωλ

(1.34)

και

25


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου όπου Eαπωλ οι απώλειες ενέργειας λόγω της ανελαστικής παραµόρφωσης ή της ϑερµότητας. Σε αυτή την περίπτωση δεν διατηρείται σταθερή η Κινητική Ενέργεια του συστήµατος των σωµάτων (Koλ(αρχ) > Koλ(τ λ) ) Στην περίπτωση ανελαστικής κρούσης που αµέσως µετά την κρούση προκύπτει συσσωµάτωµα η κρούση ϑα λέγεται Πλαστική Κρούση και ϑα ισχύουν πάλι οι παϱαπάνω εξισώσεις. Ελαστική Κρούση είναι η περίπτωση κρούσης κατά την οποία διατηρείται σταθερή η Κινητική Ενέργεια του συστήµατος καθώς και η Ορµή του. Αν µετά την κρούση οι νέες ταχύτητες των σωµάτων είναι ~ υ10 , ~υ20 , αντίστοιχα τότε ϑα ισχύει η σχέση (1.33)και η διατήρηση της Κινητικής Ενέργειας του συστήµατος :

Koλ(αρχ) = Koλ(τ λ) ⇒ K1 + K2 = K10 + K20

(1.35)

Και στις δύο περιπτώσεις κρούσης ισχύει η Αρχή της ∆ιατήρησης της Ορµής για το σύστηµα των σωµάτων. Για την επίλυση κάθε προβλήµατος κρούσης µε απλή αρµονική ταλάντωση ακολουθούµε τα ακόλουθα ϐήµατα: 1ο: Σχεδιάζουµε το σώµα που εκτελεί α.α.τ. στην ϑέση ισορροπίας του ( αν υπάρχει ελατήριο το σχεδιάζουµε στην ϑέση ϕυσικού µήκους του) 2ο: Σχεδιάζουµε τις ϑέσεις των σωµάτων αµέσως πριν την κρούση και αµέσως µετά την κρούση και υπολογίζουµε τις ταχύτητες πριν την κρούση εφόσον δεν µας είναι γνωστές µε την χρήση µεθόδων που αναλύσαµε παραπάνω ( π.χ. αν γνωρίζουµε την αποµάκρυνση x από την ϑέση ισορροπίας πριν την κρούση ϐρίσκουµε την ταχύτητα µε την ϐοήθεια της Ενέργειας στην α.α.τ.) 3ο: Λύνουµε το σύστηµα που προκύπτει από τις σχέσεις (1.33),(1.35) αν έχουµε ελαστική κρούση και ϐρίσκουµε την ταχύτητα του ταλαντούµενου σώµατος µετά την κρούση. Αν η κρούση είναι πλαστική ή ανελαστική εφαρµόζουµε την (1.33 και ϐρίσκουµε την ταχύτητα του συσσωµατώµατος. 4ο: Υπολογίζουµε την Ενέργεια του ταλαντούµενου συστήµατος µετά την κρούση µε την χρήση της ∆ιατήρησης της Ενέργειας µετά την κρούση E 0 = K 0 + U 0 . 5ο: Υπολογίζουµε το νέο πλάτος της ταλάντωσης Α΄ από την νέα Ενέργεια Ε΄ Προσοχή γιατί υπάρχουν περιπτώσεις προβληµάτων που αλλάζει η ϑέση ισορροπίας του ταλαντούµενου συστήµατος αµέσως µετά την κρούση µε συνέπεια να αλλάζει και το πρόβληµα που µελετούµε. Οι περιπτώσεις αυτές είναι εκείνες της πλαστικής κρούσης σε κατακόρυφο ή κεκλιµένο σύστηµα ελατηρίου - µάζας. Στην περίπτωση αυτή σχεδιάζουµε την νέα ϑέση ισορροπίας µετά την κρούση, για να µπορέσουµε να προχωρήσουµε στο 4ο και 5ο ϐήµα. Τέλος στα προβλήµατα που µετά την κρούση δηµιουργείται συσσωµάτωµα (Πλαστική Κρούση) αλλάζει και η γωνιακή συχνότητα ω , άρα και η περίοδος της ταλάντωσης. 26


U + K = U max Þ U + 3U = U max Þ 4U = U max Þ 4 × D × x 2 = D × Α 2 Þ 2 2 2 Α Α 4 × x2 = Α2 Þ x2 = Þ =x ± 4 2 Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Æ ΣΩΜΑΤΑ ΠΟΥ ΒΡΙΣΚΟΝΤΑΙ ΣΕ ΕΠΑΦΗ ΚΑΙ ΕΚΤΕΛΟΥΝ Α.Α.Τ. Όταν δύο σώµαταΛύσε m1 και επαφή εκτελούν 2 που Πρόταση Μελέτης απόmτον ΄Α βρίσκονται τόµο των Γ.σεΜαθιουδάκη & Γ. Παναγιω-

κοινή αρµονική ταλάντωση, τότε: έχουν ίδια κυκλική συχνότητα τακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις 2.136,την 2.138, 2.139, 2.140, 2.141,2.143, 2.145, 2.148, 2.151, 2.153, 2.154, 2.155, 2.156,ένα 2.158, 2.159, = ω2 = ω ), την2.149, οποία2,150, υπολογίζουµε θεωρώντας ότι έχουµε ( ω1 2.146, 2.160 σώµα µάζας m = m + m . Το κάθε σώµα όµως έχει την δική του 1

2

σταθερά επαναφοράς 2 2και εκτελούν α.α.τ. 1.2.6 Σώµατα που D ϐρίσκονται επαφή καισε D 1 = m1ω 2 = m2 ω Η σταθερά επαναφοράς θαεπαφή είναι και εκτελούν απλή αρµο΄Οταν δύο σώµατα µε µάζες mτου 1 , mσυστήµατος 2 ϐρίσκονται σε 2 νική ταλάντωση ταυτόχρονα, συχνότητα ω1 = ω2 = ω . Η D τότε = ( m1έχουν + m2 ) κοινή ω = Dγωνιακή 1 + D2 συχνότητα ω υπολογίζεται από την σχέση : Αν το σύστηµα που εκτελεί την Α.Α.Τ. είναι δεµένο σε ελατήριο, q τότε η σταθερά D του συστήµατος ίση µε την σταθερά του D 2 2 θα είναι D = (m1 + m2 )ω ⇒ ω = m1 +m2 ⇒ ω = m1D +m2 ελατηρίου Κ (D=K). Το σύστηµα έχει σταθερά επαναφοράς D = ( m1 + m2 ) ω2 = K

Αυτό έχει σταθερά επαναφοράς

m1 m2 A

D1 = m1ω 2

Αυτό έχει σταθερά επαναφοράς

D2 = m 2 ω 2

A

1η περίπτωση : Κίνηση σε κατακόρυφη διεύθυνση

σε µια τυχαία τουυπολογίζουµε στον 1: Σχεδιάζουµε Το Βήµα κάθε σώµα έχει την δική το τουσύστηµα σταθερά επαναφοράς D1 , Dθέση 2 που την απόθετικό τις σχέσεις : ηµιάξονα καθώς εκτελεί Α.Α.Τ. και σηµειώνουµε τις δυνάµεις που ασκούνται στο σώµα2 µάζας m. 2 D1 = m1 ω , D2 = m2 ω Βήµα 2: Γράφουµε για το σώµα που µας ενδιαφέρει (αυτό το οποίο Αν το σύστηµα που εκτελεί την απλή αρµονική ταλάντωση είναι δεµένο σε ελατήριο, τότε η σταθερά επαναφοράς είναι D = k ΄Οταν ένα σώµαΚώστας είναι σε Παρασύρης επαφή µε µια επιφάνεια ( ή µε ένα άλλο σώµα), 31δέχεται – Φυσικός από την επιφάνεια δύναµη N . Στην οριακή περίπτωση που N = 0 το σώµα χάνει την επαφή µε την επιφάνεια.

1.3 1.3.1

Ηλεκτρικές Ταλαντώσεις Το κύκλωµα L - C

∆ιαθέτουµε ένα κύκλωµα που περιλαµβάνει ένα πυκνωτή χωρητικότητας C , ένα ιδανικό πηνίο µε συντελεστή αυτεπαγωγής L και ένα διακόπτη ∆ συνδεδεµένα σε σειρά.Αν 27


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ϑεωρήσουµε αµελητέες όλες τις ωµικές αντιστάσεις το κύκλωµα αυτό ονοµάζεται Ιδανικό Κύκλωµα L-C. Φορτίζουµε τον πυκνωτή µε πηγή σταθερής τάσης V και αποµακρύνουµε την πηγή ϕόρτισης. Ο αρχικά ϕορτισµένος πυκνωτής έχει ϕορτίο Q και ενέργεια UE ο διακόπτης ∆ είναι ανοικτός. Το ϕορτίο και η ενέργεια που είναι αποθηκευµένη στον πυκνωτή υπολογίζονται από τις σχέσεις :

(-4

-&!QMO)Q!* M+&+RM#*!)* Q *81D7 1/?;=5147 C /DB6H8A ⇒ Q = CVC (=>.(.(2) =D6CI1D5. /26G1 = >H028;BF828<7 5. =D68.?.=8A <D8./<3H3A7 L. M1V/26G1 B<; 1; <3H31G C.6 I>1D6 <68G=8<=2.

(1.36)

$108GT1D5. 816 /DB6H8A (/.>. EI06168<72 =. ./<EA 81D7 1/?;=5147 1Q 1 2 81D 5. 81D7 /F?1D7 /23A7 = 5. E108G1 Q B<; B?.G61D5. 81 (1.37) UE=D6.>147 = CV89=27) C;<BF/82 P (=>. (.(3<). +0>GT.; 81D /DB6H8A B<; 81 2 8F8. 2 .BEF08;=2 2C B4B?H5< C;<00I.8<; </F 0.45<. - I68<=2 81D 0.45<817, ?F3H 827 Την χρονική στιγµή t 81D = 0/26G1D, , κλείνουµε διακόπτη ∆, οπότε αρχίζει <D8./<3H3A7 <D:96.8<;τον =8<C;<B9 B<; 3G6.8<; 5I3;=82 (/) 82 η εκφόρτιση του πυκνωτή και το κύκλωµα διαρρέεται ϱεύµα.Η ένταση του ϱεύµατος αυξάνεται =8;35A 827 /?A01D7 .BEF08;=27 81Dαπό /DB6H8A (=>. (.(3J).

92. :.:2 *81D7 1/?;=5147 σταδιακά, γιατί το πηνίο αντιστέκεται στην απότοµη αύξηση του ϱεύµατος, λόγω του /DB6H8A I>.; =D6C.@.G 5I=H M1 0.45<, .:<;8G<7 81D E<;615I61D 827 <D8./<3H3A7 =81 /26G1, C. C;<BF/82 ;C<6;BF /26G1. W6< ϕαινοµένου της αυτεπαγωγής και του κανόνα του Lentz. Η ΗΕ∆ από αυτεπαγωγή έχει 8I81;1 B4B?H5< 16159T.8<; 52C.6GT.8<; <5I=H7 5.89 826 .BEF08;=2 81D /DB6H8A. M1 B4B?H5< =D6.>GT.; 3;< ?G31 >0F61να 6< αντιστέκεται C;<00I.8<; </F 0.45< =D6.>K7 - BG62=2 B4B?H5< LC.πολικότητα τέτοια ώστε στο /1D ϱεύµα και.?<88K6.8<;. υπολογίζεται από την σχέση

di<D8A 8H6 E108GH6 I>.; H7 </18I?.=5< 1 /DB6H8A7 6< E108;=8.G /9?;, . Σε κάθε χρονική στιγµή η VL =52C.6;=8.G Eαυτ π 1=/DB6H8A7 VC = qc@<,8K0< όπου ϐέβαια VC Eαυτ π = −L dt F5H7 5. <68G@.82 /1?;BF828<. Z8<6 81 0.45< I>.;

είναι η τάση στα άκρα /9?; του E108G1 πυκνωτή. </1B8A=.; Q (=>. (.(33).

92. :.:3 M2 =8;35A 52CI6, /1D 1 /DB6H8A7 I>.; E108G1 Q, B?.G61D5. 81 C;<BF/82. *81 =>A5< E<G6168<; C;9E10.7 E9=.;7 827 2?.B80;BA7 8<?968H=27 81D BDB?K5<817 B<89 82 C;90B.;< 5;<7 /.0;FC1D.

Σχήµα 1.10: Οι ϕάσεις της ηλεκτρικής ταλάντωσης σε χρόνο µιας περιόδου

*82 =D6I>.;< 2 C;<C;B<=G< ./<6<?<5J96.8<; <68G=801E<. ' /DB6H8A7 <0>GT.; 6< .BE108GT.8<;, 81 /26G1 C;<00I.8<; </F 0.45< B<; 81 B4B?H5< =826 <0>;BA B<89=8<=2 (=>. *826 ;C<6;BA /.0G/8H=2 Η αύξηση ./<6I0>.8<; της έντασης του81D ϱεύµατος (i) (.(3C-.). συνεχίζεται µέχρι την στιγµή της /1D C.6 D/90>1D6 </K?.;.7 .6I03.;<7 2 C;<C;B<=G< ./<6<?<5J96.8<; =D6I>.;<. πλήρους εκφόρτισης του πυκνωτή (q = 0), οπότε και αποκτά την µέγιστη τιµή M1 E<;6F5.61 16159T.8<; 4="'3#$'8 3*=(+3704.

της (I ) την χρονική στιγµή T /4. +/1C.;B64.8<; F8; 81 E108G1 81D /DB6H8A 5.8<J9??.8<; 5. 81 >0F61 Στην συνέχεια, η ένταση του ϱεύµατος µειώνεται πάλι σταδιακά, γιατί το πηνίο =45EH6< 5. 82 =>I=2 αντιστέκεται στον απότοµο µηδενισµό της, λόγω του ϕαινοµένου της αυτεπαγωγής. q = Q συν ωt και η κίνηση των ((.(5) Η µείωση της έντασης του ϱεύµατος συνεχίζεται ϕορτίων έχει ως αποτέλεσµα ο πυκνωτής να ϕορτίζεται µε αντίθετη πολιτικότητα από την αρχική. ΄Οταν 28

(4


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου το ϱεύµα µηδενιστεί (i = 0),ο πυκνωτής ��α έχει αποκτήσει και πάλι ϕορτίο Q την χρονική στιγµή T /2. Στην συνέχεια ακολουθεί το ίδιο ϕαινόµενο, µε το ϱεύµα να έχει αντίθετη ϕορά από την προηγούµενη, µέχρις ότου το κύκλωµα να επανέλθει στην κατάσταση στην οποία ϐρίσκονταν την χρονική στιγµή t = 0.Στην ιδανική περίπτωση που δεν υπάρχουν απώλειες ενέργειας το ϕαινόµενο επαναλαµβάνεται διαρκώς. Αυτό το περιοδικό ϕαινόµενο ονοµάζεται Ηλεκτρική Ταλάντωση.

1.3.2

Οι εξισώσεις της Ηλεκτρικής Ταλάντωσης

Στο πρόβληµα των Ηλεκτρικών ταλαντώσεων τα κύρια µεγέθη είναι το ϕορτίο του πυκνωτή (q ) και το ϱεύµα (i) που διαρρέει το πηνίο. Και τα δύο µεγέθη περιγράφονται από κατάλληλες περιοδικές συναρτήσεις του χρόνου, µε περίοδο που δίνεται από την σχέση :

√ T = 2π LC

(1.38)

Οι χρονικές εξισώσεις για το ϕορτίο του πυκνωτή και το ϱεύµα που διαρρέει το πηνίο στην γενική τους µορφή γράφονται :

q = Qηµ(ωt + φ0 ) και i = Iσυν(ωt + φ0 ) Είναι εύκολο να διαπιστώσει κανείς τις « οµοιότητες » των παραπάνω σχέσεων µε τις αντίστοιχες χρονικές εξισώσεις της αποµάκρυνσης x και της ταχύτητας υ των µηχανικών ταλαντώσεων. Είναι προφανές ότι το Q αντιστοιχεί στην µέγιστη τιµή του ϕορτίου του πυκνωτή ( πλάτος ϕορτίου) και το I στην µέγιστη τιµή του ϱεύµατος (πλάτος ϱεύµατος). Επίσης η ϕάση φ = ωt + φ0 έχεις τις ίδιες ιδιότητες µε την ϕάση της απλής αρµονικής ταλάντωσης µε 0 ≤ φ0 ≤ 2π . Στην πλειονότητα των προβληµάτων που ϑα µας απασχολήσουν η αρχική ϕάση ϑα περιοριστεί σε δύο τιµές,σε αντίθεση µε τα προβλήµατα των µηχανικών ταλαντώσεων. Η περίπτωση του ϕορτισµένου πυκνωτή ΄Οταν την χρονική στιγµή t = 0 το ϕορτίο στον ϑετικά ϕορτισµένο οπλισµό είναι q = +Q και κατά συνέπεια η ένταση του ϱεύµατος στο κύκλωµα είναι i = 0 τότε αποδεικνύεται ότι φ0 = π/2. ΄Αρα προκύπτουν οι ακόλουθες χρονικές εξισώσεις :

q = Qηµ(ωt +

π ) ⇒ q = Qσυν(ωt) 2

(1.39)

i = Iσυν(ωt +

π ) ⇒ q = −Iηµ(ωt) 2

(1.40)

και

όπου I = ωQ, η µέγιστη τιµή της έντασης του ϱεύµατος. ( κατ΄ αντιστοιχία µε την µέγιστη ταχύτητα της µηχανικής ταλάντωσης). Προσοχή η στιγµιαία τιµή του ϕορτίου (q ) αντιστοιχεί στο ϕορτίο του αρχικά ϑετικά ϕορτισµένου οπλισµού. 29


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Η περίπτωση του αφόρτιστου πυκνωτή ΄Οταν την χρονική στιγµή t = 0 ο πυκνωτής είναι αφόρτιστος (q = 0) και το πηνίο διαρρέεται από ϱεύµα έντασης I , τότε αποδεικνύεται ότι φ0 = 0. ΄Αρα προκύπτουν οι ακόλουθες χρονικές εξισώσεις :

q = Qηµ(ωt)

(1.41)

i = Iσυν(ωt)

(1.42)

και Οι παραπάνω δύο περιπτώσεις δεν είναι ϐέβαια οι µοναδικές, καθώς όπως και στις µηχανικές ταλαντώσεις η αρχική ϕάση µπορεί να πάρει ένα εύρος τιµών ανάλογα µε τις ¨αρχικές συνθήκες¨ του προβλήµατος. Εδώ οι αρχικές συνθήκες είναι το ϕορτίο του πυκνωτή και η ένταση του ϱεύµατος που διαρρέει το κύκλωµα. Αλλά στα πλαίσια του µαθήµατος ϑα ασχοληθούµε κυρίως µε τις παραπάνω.

1.3.3

Γραφικές παραστάσεις

Παρακάτω ϕαίνονται οι γραφικές παραστάσεις του ϕορτίου του πυκνωτή και της έντασης του ϱεύµατος σε συνάρτηση µε τον χρόνο,για την περίπτωση του αρχικά ϕορτισµένου πυκνωτή (φ0 = π/2. Με σχετική ευκολία µπορούµε να σχεδιάσουµε και τα αντίστοιχα διαγράµµατα για την περίπτωση του αρχικά αφόρτιστου πυκνωτή.

Σχήµα 1.11: ∆ιάγραµµα ϕορτίου-χρόνου

Παρατηρήσεις για το ¨πρόσηµο¨ του ϱεύµατος ΄Οταν κλείσει ο διακόπτης, ο πυκνωτής ϑα αρχίσει να εκφορτίζεται µέσα από το πηνίο και την χρονική στιγµή t ϑα υπάρχει ένα ϱεύµα i στο κύκλωµα και ένα ϕορτίο q στον πυκνωτή. Το ϱεύµα i και το ϕορτίο i σχετίζονται,γιατί τι ϱεύµα δίνει το ϱυθµό µε τον οποίο το ϕορτίο µεταφέρεται από τον ένα οπλισµό του πυκνωτή στον 30


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Σχήµα 1.12: ∆ιάγραµµα έντασης -χρόνου άλλο. ΄Αλλωστε η ένταση του ϱεύµατος εξ ορισµού είναι ίση µε τον ϱυθµό µεταβολής του ϕορτίου.

dq dt Η σύµβαση µας για τα πρόσηµα των q, i i=

(1.43)

ˆ ΄Εστω ότι δεχόµαστε ότι η ϕορά του ϱεύµατος είναι ϑετική, όταν αυτό κατευθύνεται προς τον αρχικά ϑετικά ϕορτισµένο οπλισµό του πυκνωτή ( για t = 0, q = +Q). Με την επιλογή αυτή και σύµφωνα µε την σχέση (1.43), το q αυξάνεται, όταν i > 0. Στην περίπτωση αυτή οι εξισώσεις (1.39) , (1.61 δίνουν σε κάθε χρονική στιγµή το ϕορτίο και το ϱεύµα, µε τις γραφικές παραστάσεις του να δίνονται από τα σχήµατα (1.11),(1.12)

ˆ Σύµφωνα µε την σύµβαση µας και µε ϐάση τον ορισµό του ϱεύµατος κατανοούµε > 0)ή ότι το πρόσηµο της έντασης του ϱεύµατος σχετίζεται µε την ϕόρτιση ( dq dt dq την εκφόρτιση ( dt > 0)του πυκνωτή. Ρεύµα µε ϕορά από το πηνίο προς τον αρχικά ϑετικά ϕορτισµένο οπλισµό του πυκνωτή ϑα ϑεωρείται ϑετικό (i > 0) και ϱεύµα µε ϕορά από τον αρχικά ϑετικά ϕορτισµένο οπλισµό του πυκνωτή ϑα ϑεωρείται αρνητικό (i < 0). Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ. Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 5.1 - 5.11, 5.69, 5.70, 5.71, 5.72,5.73

1.3.4

Η ενέργεια στην Ηλεκτρική Ταλάντωση

Η Ενέργεια στην Ηλεκτρική Ταλάντωση είναι ίση µε την ενέργεια που προσφέρουµε στο κύκλωµα την χρονική στιγµή t = 0. Στην περίπτωση του αρχικά ϕορτισµένου πυκνωτή, η ενέργεια του κυκλώµατος ισούται µε την Ενέργεια του Ηλεκτρικού πεδίου που έχει αποθηκευτεί στον πυκνωτή, η οποία είναι ίση µε : 31


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

UE =

1 Q2 2C

(1.44)

Μόλις κλείσουµε το διακόπτη, ο πυκνωτής ϑα αρχίσει να εκφορτίζεται µέσα από το πηνίο και το κύκλωµα διαρρέεται από ϱεύµα. ΄Οσο διαρκεί η εκφόρτιση, η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου στον πυκνωτή ελαττώνεται και µετατρέπεται σε ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο.΄Οταν ο πυκνωτής εκφορτιστεί πλήρως, η ένταση του ϱεύµατος που διαρρέει το πηνίο γίνεται µέγιστη, οπότε η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο αποκτά την µέγιστη τιµή της που είναι ίση µε :

1 UB = LI 2 2

(1.45)

Στην συνέχεια η διαδικασία γίνεται αντίστροφα. Η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο ελαττώνεται, ενώ αυξάνεται η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου στο πηνίο, µέχρι την πλήρη ϕόρτιση του, οπότε το κύκλωµα επανέρχεται ενεργειακά στην αρχική του κατάσταση. Η όλη διαδικασία επαναλαµβάνεται. Στην ιδανική περίπτωση που δεν υπάρχουν απώλειες ενέργειας , η Ολική Ενέργεια του κυκλώµατος ϑεωρείται σταθερή και είναι ίση µε :

E=

1 Q2 1 = LI 2 2C 2

(1.46)

Οι ενέργεια του Ηλεκτρικού πεδίου στον πυκνωτή (UE ) και του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο (UB )υπολογίζονται σε κάθε χρονική στιγµή από τις σχέσεις :

UE =

1 q2 2C

και

1 UB = Li2 2

(1.47)

UE ,UB ως συναρτήσεις του χρόνου Αν υποθέσουµε ότι την χρονική στιγµή t = 0 ο πυκνωτής είναι ϕορτισµένος και αντικαθιστώντας τις σχέσεις για την στιγµιαία τιµή του ϕορτίου 1.39 και της έντασης 1.40 στις παραπάνω σχέσεις προκύπτουν αντίστοιχα :

UE =

1 Q2 1 (Qσυν(ωt))2 = συν 2 (ωt) ⇒ UE = Eσυν 2 (ωt) 2 C 2C

1 1 UB = L(−Iηµ(ωt))2 = LI 2 ηµ2 (ωt) ⇒ UB = Eηµ2 (ωt) 2 2

(1.48)

(1.49)

Από τις παραπάνω σχέσεις επιβεβαιώνεται ότι η ενέργεια του Ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή µετατρέπεται περιοδικά σε ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο και αντίστροφα, ενώ η ολική ενέργεια παραµένει σταθερή. Παρακάτω ακολουθεί το αντίστοιχο διάγραµµα των δυο µεγεθών σε συνάρτηση µε τον χρόνο. 32


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Σχήµα 1.13: E, UE , UB σε συνάρτηση µε τον χρόνο Η ∆ιατήρηση της Ενέργειας Η ολική ενέργεια του κυκλώµατος παραµένει σταθερή σε κάθε στιγµή και ίση µε το άθροισµα της Ενέργειας του Ηλεκτρικού πεδίου στον πυκνωτή και της ενέργειας του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο. ∆ηλαδή σε κάθε χρονική στιγµή ϑα ισχύει :

E = UE + UB ⇒

1 Q2 1 1 q2 1 2 = LI 2 = + Li 2C 2 2C 2

(1.50)

Περιγράψαµε παραπάνω ένα ιδανικό κύκλωµα L − C χωρίς απώλειες ενέργειας. Οι απώλειες ενέργειας σε ένα πραγµατικό κύκλωµα L − C οφείλονται σε δύο ϐασικούς λόγους :

ˆ Στην ϑερµότητα που χάνεται λόγω του ϕαινοµένου Joule από τις αντιστάσεις του κυκλώµατος

ˆ Στην ενέργεια που εκπέµπεται µε την µορφή ακτινοβολίας κατά την λειτουργία του κυκλώµατος. Παρακάτω παρουσιάζω δύο αποδείξεις που κάτι πρέπει να µας ϑυµίζουν : Απόδειξη της σχέσης I = ωQ

1 Q2 1 2 1 ⇒ I2 = Q ⇒ I = ωQ UB(max) = UE(max) ⇒ LI 2 = 2 2C LC √ 1 παραπάνω χρησιµοποίησα το γεγονός ότι T = 2π LC ⇒ ω = √LC

(1.51)

33


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Απόδειξη της σχέσης i = ±ω κύπτει :

p Q2 − q 2

Με την χρήση της σχέσης (1.50) προ-

1 q2 1 2 Q2 q 2 1 1 Q2 = + Li ⇒ Li2 = − ⇒ i2 = (Q2 − q 2 ) 2C 2C 2 C C LC p ⇒ i = ±ω Q2 − q 2

(1.52)

Αντίστοιχα µε τις µηχανικές ταλαντώσεις µπορούµε να σχεδιάσουµε τα διαγράµµατα των ενεργειών UE και UB σε συνάρτηση µε τις στιγµιαίες τιµές του ϕορτίου q και της έντασης του ϱεύµατος i. Η µορφή τους ϑα είναι αντίστοιχη. Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ. Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 5.75 –5.81, 5.83, 5.85, 5.86 Ρυθµοί Μεταβολής στην Ηλεκτρική Ταλάντωση Αντίστοιχα όπως και στην πεϱίπτωση της Απλής Αρµονικής Ταλάντωσης, οι ϱυθµοί µεταβολής παίζουν καθοριστικό ϱόλο και στο κύκλωµα L − C για την κατανόηση των µεγεθών και των µεταβολών τους. Παραθέτω ϐασικούς ϱυθµούς µεταβολής που ϑα εµφανιστούν σε ασκήσεις :

ˆ Ρυθµός µεταβολής του ϕορτίου στον οπλισµό του πυκνωτή

dq dt

Είδαµε και παραπάνω ότι :

dq =i dt

(1.53)

ˆ Ρυθµός µεταβολής της τάσης στα άκρα του πυκνωτή dVdtC Ο ϱυθµός µεταβολής της τάσης υπολογίζεται ώς εξής :

C=

q 1 dVC 1 dq dVC i ⇒ VC = q ⇒ = ⇒ = VC C dt C dt dt C

(1.54)

προσοχή το i µπαίνει µε το πρόσηµο του στην σχέση, εκτός και αν ενδιαφερόµαστε µόνο για την τάση και όχι για την πολικότητα της.

ˆ Ρυθµός µεταβολής της έντασης του ϱεύµατος

di dt

di Από τον νόµο της αυτεπαγωγής (Lentz ) προκύπτει ότι Eατ = −L dt , άρα :

di Eατ =− dt L όµως Eατ = VL = VC =

q C

di q di =− ⇒ = −ω 2 q dt LC dt 34

(1.55)


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

ˆ Ρυθµός µεταβολής της Ενέργειας σε πηνιο και πυκνωτή

dUE dUB , dt dt

Επειδή στην ιδανική περίπτωση η Ενέργεια του Κυκλώµατος παραµένει σταθερή προκύπτει ότι :

E = UE + UB ⇒ dE = 0 = dUE + dUB ⇒

dUE dUB =− dt dt

(1.56)

όπου ϐέβαια σε ένα ηλεκτρικό κύκλωµα ο ϱυθµός µεταβολής αντιστοιχεί στην Ηλεκτρική ισχύ PC για τον πυκνωτή και PL για το πηνίο. ΄Αρα µε ϐάση αυτό προκύπτει ότι :

dUE dUB = PC και = PL dt dt

(1.57)

dUE q = VC i = i dt C

(1.58)

Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ. Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 5.87,5.88, 5.89, 5.91, 5.102, 5.103, 5.106, 5.107, 5.109, 5.110, 5.112, 5.113, 5.114, 5.115, 5.116, 5.118, 5.119, 5.121 Η περίπτωση του αρχικά αφόρτιστου πυκνωτή... ΄Οπως διατυπώσαµε και παραπάνω την χρονική στιγµή t = 0 οι τιµές των q, i µπορούν να πάρουν οποιαδήποτε τιµή, άρα υπάρχει µια σειρά από τιµές της αρχικής ϕάσης για να περιγράψουµε το πρόβληµα µας. Μια χαρακτηριστική περίπτωση εκτός από εκείνη του αρχικά ϕορτισµένου πυκνωτή που παραπάνω περιγράψαµε υπάρχει και εκείνη του αρχικά αφόρτιστου πυκνωτή. Μια διάταξη στην οποία ϑα µπορούσαµε να έχουµε την περίπτωση αυτή είναι η ακόλουθη :

΄Υστερα από πολύ ώρα µε τον διακόπτη (δ) κλειστό το πηνίο διαρρέεται από σταθερό ϱεύµα Ι. Το ϱεύµα υπολογίζεται από τον Νόµο του Ohm για κλειστό κύκλωµα :

I=

E R+r

(1.59) 35


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου όπου Ε είναι η ΗΕ∆ της πηγής και r η εσωτερική της αντίσταση. Αν την χρονική στιγµή t = 0 ανοίξουµε τον διακόπτη στο πηνίο είναι αποθηκευµένη ενέργεια UB = 12 LI 2 που ϑα είναι ίση µε την ενέργεια της Ηλεκτρικής ταλάντωσης που ϑα ακολουθήσει. Σε αυτή την περίπτωση που για t = 0, q = 0 και i = +I και ϑεωρώντας ως ϑετικό τον οπλισµό Γ οι χρονικές εξισώσεις για το ϕορτίο και την ένταση του ϱεύµατος ϑα είναι :

q = Qηµ(ωt)

(1.60)

i = Iσυν(ωt)

(1.61)

και

µε απόδειξη που εύκολα µπορεί να προκύψει ξεκινώντας από τις γενικές χρονικές εξισώσεις των q, i και επιλέγοντας ως αρχική ϕάση φ0 = 0. Πρόταση Μελέτης : Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ. Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 5.93, 5.94, 5.95, 5.96, 5.97, 5.99, 5.100, 5.123, 5.124, 5.126, 5.127, 5.128, 5.131, 5.132

Οι αντιστοιχίες του ιδανικού L − C µε το µηχανικό ανάλογο του σύστηµα ΄Οπως ήδη ϑα έχετε παρατηρήσει οι µαθηµατικές σχέσεις στο κύκλωµα L − C έχουν πολλές οµοιότητες και αναλογίες µε αντίστοιχες σχέσεις του συστήµατος της µάζας µε το ελατήριο των µηχανικών ταλαντώσεων. Χωρίς να σηµαίνει ότι τα δύο αυτά συστήµατα ταυτίζονται, µπορούµε να περιγράψουµε τις αντιστοιχίες των µεγεθών για λόγους µνηµονικούς.

m−k

Σύστηµα Μάζας - Ελατηρίου Αποµάκρυνση x Ταχύτητα υ Πλάτος Ταλάντωσης Α Μέγιστη Ταχύτητα υmax = ωA ∆υναµική Ενέργεια ταλάντωσης U = 12 Dx2

Κύκλωµα L − C Φορτίο q ΄Ενταση Ρεύµατος i Μέγιστο ϕορτίο Q Μέγιστη ΄Ενταση Ρεύµατος I = ωQ Ενέργεια Ηλεκτρικού Πεδίου του Πυκνωτή

UE =

1 q2 2 C

Κινητική Ενέργεια Ταλάντωσης K = 12 mυ 2

Ενέργεια Μαγνητικού Πεδίου στο πηνίο

Σταθερά k του ελατηρίου Μάζα m του σώµατος p Περίοδος T = 2π m k

Αντίστροφο της χωρητικότητας C1 Συντελεστής αυτεπαγωγής του πηνίου L √ Περίοδος T = 2π LC

UB = 12 Li2

Γνωρίζοντας την περιγραφή του συστήµατος « ελατηρίου- µάζας » µπορούµε εύκολα να περάσουµε στο ιδανικό κύκλωµα L − C και να χρησιµοποιήσουµε παρόµοιες µαθηµατικές µεθόδους για τις ασκήσεις µας. 36


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

1.4 1.4.1

Φθίνουσες Ταλαντώσεις Μηχανικές Ταλαντώσεις

Οι ταλαντώσεις των οποίων το πλάτος µειώνεται µε τον χρόνο και τελικά µηδενίζεται λέγονται Φθίνουσες ή Αποσβεννύµενες. ΄Ολες οι ταλαντώσεις στην ϕύση είναι ϕθίνουσες, γιατί καµία κίνηση δεν είναι απαλλαγµένη από τριβές και αντιστάσεις. Η απόσβεση ( δηλαδή η ελάττωση) του πλάτους µιας ταλάντωσης οφείλεται στις δυνάµεις που αντιτίθενται στην κίνηση του. Επειδή αυτές οι δυνάµεις είναι αντίθετες µε την ταχύτητα, παράγουν συνεχώς αρνητικό έργο µε αποτέλεσµα να µεταφέρουν συνεχώς ενέργεια από το ταλαντούµενο σύστηµα στο περιβάλλον. ΄Ετσι η ολική ενέργεια του συστήµατος µε την πάροδο του χρόνου ελαττώνεται και το πλάτος της ταλάντωσης, που εξαρτάται από την ολική ενέργεια µειώνεται. Γενικά οι δυνάµεις που προκαλούν µείωση του πλάτους δεν είναι εύκολο να προσδιοριστούν. Μια περίπτωση µε µεγάλο ενδιαφέρον είναι η περίπτωση της δύναµης που είναι ανάλογη και αντίθετη της ταχύτητας.

F 0 = −bυ

(1.62)

Μια τέτοια δύναµη είναι η δύναµη αντίστασης που ασκείται σε µικρά αντικείµενα που κινούνται µέσα στο νερό ή στον αέρα. Στην περίπτωση αυτή ο 2ος Νόµος του Νεύτωνα ϑα έχει την παρακάτω µορφή :

ΣF = mα ⇒ −Dx − bυ = mα

(1.63)

Η σταθερά αναλογίας b είναι µια ϑετική ποσότητα που ονοµάζεται σταθερά απόσβεσης και εξαρτάται από τις ιδιότητες του µέσου καθώς και από το σχήµα και το µέγεθος του αντικειµένου που κινείται. Η µονάδας µέτρησης στο S.I. είναι το 1kg/s. Από την µορφή της δύναµης είναι εµφανές ότι ο ϱυθµός µείωσης του πλάτους της ταλάντωσης ϑα εξαρτάται από την τιµή της σταθεράς b. ΄Οσο µεγαλύτερη είναι, τόσο µεγαλύτερη ϑα είναι και η µείωση του πλάτους σε κάθε περίοδο. Χρησιµοποιώντας την διάταξη του διπλανού σχήµατος και για διάφορες τιµές της σταθεράς απόσβεσης, παίρνουµε τις παρακάτω γραφικές παρα- Σχήµα 1.14: Η αύξηση στάσεις, στις οποίες αποδίδεται η αποµάκρυνση x σε της πυκνότητας αέρα έχει συνάρτηση µε τον χρόνο για µηδενική, µικρή, µεσαία σαν αποτέλεσµα µείωση του και µεγάλη απόσβεση. πλάτους Τα ϐασικά συµπεράσµατα που προκύπτουν είναι :

ˆ Το πλάτος της ταλάντωσης είναι ϕθίνουσα συνάρτηση του χρόνου. Το πόσο γρήγορα µειώνεται το πλάτος εξαρτάται από τη σταθερά απόσβεσης b. ΄Οταν η 37


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου σταθερά απόσβεσης µεγαλώνει, το πλάτος της ταλάντωσης µειώνεται πιο γρήγοϱα. Στις ακραίες περιπτώσεις που η σταθερά b παίρνει πολύ µεγάλες τιµές, η κίνηση γίνεται απεριοδική, δηλαδή ο ταλαντωτής επιστρέφει στην ϑέση ισορροπίας του και µένει εκεί.

ˆ Η περίοδος για ορισµένη τιµή της σταθεράς b, διατηρείται σταθερή και ανεξάρτητη από το πλάτος. ΄Οταν η σταθερά b µεγαλώνει, η περίοδος παρουσιάζει µια µικρή αύξηση που, στα πλαίσια του σχολικού ϐιβλίου ϑα ϑεωρούµε αµελητέα.

Η εκθετική µείωση του πλάτους Το πλάτος της ταλάντωσης µειώνεται εκθετικά µε τον χρόνο σύµφωνα µε την σχέση :

A = A0 e−Λt

(1.64)

b όπου A0 είναι το πλάτος της ταλάντωσης την χρονική στιγµή t = 0 και Λ = 2m είναι µια ϑετική σταθερά. Η µονάδα µέτρησης της σταθεράς Λ στο S.I. είναι το s−1 .

Χρόνος Υποδιπλασιασµού ή ηµισείας Ϲωής του πλάτους Από την σχέση (1.64) προκύπτει ότι για την µείωση του πλάτους κατά 50% απαιτείτε πάντοτε το ίδιο χρονικό διάστηµα t1/2 που ονοµάζεται χρόνος υποδιπλασιασµού του πλάτους. Αν ϑέσουµε στην σχέση A = A20 τότε ϐρίσκουµε τον χρόνο t1/2 :

ln2 A0 1 = A0 e−Λt1/2 ⇒ = e−Λt1/2 ⇒ 2 = eΛt1/2 ⇒ ln2 = Λt1/2 ⇒ t1/2 = 2 2 Λ

(1.65)

΄Αρα ο χρόνος υποδιπλασιασµού είναι ανεξάρτητος του αρχικού πλάτους της ταλάντωσης, εξαρτάται αποκλειστικά από την σταθερά Λ. Η εκθετική µείωση της µέγιστης αποµάκρυνσης Οι µέγιστες αποµακρύνσεις προς την ίδια κατεύθυνση µειώνονται εκθετικά µε τον χρόνο. ∆ηλαδή ισχύει η σχέση :

Aκ = A0 e−Λt ,

t = κT, κ = 0, 1, 2, ...

Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι ο λόγος δύο διαδοχικών µεγίστων αποµακρύνσεων, προς την ίδια κατεύθυνση, διατηρείται σταθερός. ∆ηλαδή, ισχύει :

A1 A2 Aκ A0 = = = ... = = στ αθ. A1 A2 A3 Aκ+1

(1.66)

Απόδειξη : Επιλέγοντας τις χρονικές στιγµές t1 = κT και t2 = (κT +1)T ϐρίσκουµε :

Aκ A0 e−Λ(κT ) = = eΛT = στ αθ. Aκ+1 A0 e−Λ(κT +1) 38


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Σχήµα 1.15: Φθίνουσες µηχανικές ταλαντώσεις Η ενέργεια στην ϕθίνουσα µηχανική ταλάντωση µειώνεται και αυτή εκθετικά µε τον χρονο και ϑα υπολογίζεται από τον τύπο :

1 1 1 E = DA2 = D(A0 e−Λt ) ⇒ E = DA20 e−2Λt ⇒ E = E0 e−2Λt 2 2 2

(1.67)

Αντίστοιχα µε τον λόγο των διαδοχικών πλατών, αποδεικνύεται πολύ εύκολα ότι ισχύει η σχέση : 39


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Σχήµα 1.16: Η εκθετική µείωση του πλάτους και της µέγιστης αποµάκρυνσης

E1 E2 Eκ E0 = = = ... = = στ αθ. E1 E2 E3 Eκ+1

(1.68)

Ο ϱυθµός απώλειας Ενέργειας ϑα δίνεται από την ισχύ της δύναµης απόσβεσης σύµφωνα µε την παρακάτω σχέση :

dE = F 0 υ = −bυ 2 dt

1.4.2

(1.69)

Ηλεκτρικές Ταλαντώσεις

Σε ένα κύκλωµα L − C για να είναι η ηλεκτρική ταλάντωση αµείωτη, δεν πρέπει να υπάρχει απώλεια ενέργειας, κάτι που πρακτικά είναι αδύνατο. Οι ηλεκτρικές ταλαντώσεις είναι ϕθίνουσες. Το πλάτος της έντασης του ϱεύµατος καθώς και το µέγιστο ϕορτίο στον πυκνωτή διαρκώς µικραίνουν και τελικά το κύκλωµα παύει να ταλαντώνεται. Στην περίπτωση των ηλεκτρικών ταλαντώσεων, ο κύριος λόγος της απόσβεσης είναι η ωµική αντίσταση R, η οποία παίζει για το κύκλωµα τον ίδιο ακριβώς ϱόλο που παίζει για τον αρµονικό ταλαντωτή η σταθερά απόσβεσης b. Μόλις κλείσουµε τον διακόπτη, ο πυκνωτής αρχίζει να εκφορτίζεται και το κύκλωµα διαρρέεται από ϱεύµα. Η ωµική αντίσταση µετατρέπει ϐαθµιαία την ηλεκτρική ενέργεια σε ϑερµότητα Joule, µε αποτέλεσµα η ολική ενέργεια και κατά συνέπεια το µέγιστο ϕορτίο του πυκνωτή διαρκώς να µειώνεται και τελικά να µηδενίζεται. Μεταβάλλοντας την ωµική αντίσταση R, µπορούµε να λάβουµε 40


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου τις γραφικές παραστάσεις του ϕορτίου q του πυκνωτή σε συνάρτηση µε τον χρόνο t για µηδενική, µικρή, µεσαία και πολύ µεγάλη ωµική αντίσταση.

Σχήµα 1.17: Φθίνουσες ηλεκτρικές ταλαντώσεις Τα ϐασικά συµπεράσµατα που προκύπτουν από τις γραφικές είναι : 41


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ˆ Ο ϱυθµός µείωσης του µέγιστου ϕορτίου εξαρτάται από την αντίσταση R και, όταν η αντίσταση µεγαλώνει, το µέγιστο ϕορτίο µειώνεται πιο γρήγορα.

ˆ Η περίοδος, για ορισµένη ποσότητα της αντίστασης, διατηρείται σταθερή και ανεξάρτητη από το µέγιστο ϕορτίο στον πυκνωτή. Η περίοδος της ταλάντωσης µεγαλώνει όταν µεγαλώνει η αντίσταση. Η ��ύξηση όµως αυτή µπορεί να ϑεωρηϑεί αµελητέα.

ˆ Αν η τιµή της αντίστασης υπερβεί κάποιο όριο η ταλάντωση γίνεται απεριοδική. Η εκθετική µείωση του µέγιστου ϕορτίου του πυκνωτή Αποδεικνύεται ότι η µεταβολή του µέγιστου ϕορτίου σε συνάρτηση µε τον χρόνο ϑα δίνεται από την σχέση :

Q = Q0 e−Λt

(1.70)

όπου Q0 είναι το µέγιστο ϕορτίο του πυκνωτή την χρονική στιγµή t = 0 και η R µε R την ωµική αντίσταση του κυκλώµατος και L τον συντελεστή σταθερά Λ = 2L αυτεπαγωγής του πηνίου. Η παραπάνω σχέση είναι σε πλήρη αντιστοιχία µε την σχέση για το πλάτος της µηχανικής ταλάντωσης. Από την παραπάνω σχέση και σε πλήρη αντιστοιχία µε τις ϕθίνουσες µηχανικές ταλαντώσεις, αποδεικνύεται η σχέση :

Q0 Q1 Qκ = = ... = = στ αθ. Q1 Q2 Qκ+1

(1.71)

Η ενέργεια στην ϕθίνουσα ηλεκτρική ταλάντωση µειώνεται και αυτή εκθετικά µε τον χρόνο ακριβώς όπως και στην περίπτωση των µηχανικών ταλαντώσεων. Επίσης το ποσό ϑερµότητας (QR ) που εκλύεται στον αντιστάτη είναι ίσο µε την µείωση της ενέργειας του κυκλώµατος και δίνεται :

QR = E0 − E1 =

1 Q20 1 Q2 − 2C 2C

(1.72)

Πρόταση Μελέτης : Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ. Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 6.1 - 6.38, 6.50, 6.51, 6.52, 6.53, 6.55, 6.56, 6.58, 6.60, 6.61, 6.62, 6.63, 6.65, 6.66, 6.67, 6.68, 6.70

1.5 1.5.1

Εξαναγκασµένες Ταλαντώσεις Μηχανικές Ταλαντώσεις

Στο διπλανό σχήµα ϕαίνεται ένα σύστηµα ελατηρίου - µάζας. Αν η µάζα αποµακρυνθεί από την ϑέση ισορροπίας της προς τα κάτω κατά Α και αφεθεί ελεύθερη, το σύστηµα να εκτελέσει κατακόρυφη ταλάντωση. Αν δεν υπάρχουν αντιστάσεις, η ταλάντωση ϑα είναι αµείωτη, µε συχνότητα : 42


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

1 f0 = 2π

r

k m

(1.73)

΄Οµως στην πραγµατικότητα η ταλάντωση ϑα είναι ϕθίνουσα. Η συχνότητα της ϑα είναι λίγο µικρότερη από την f0 ( στην πράξη µπορεί να ϑεωρηθεί περίπου ίση µε την f0 . Μια τέτοια ταλάντωση ονοµάζεται ελεύθερη ταλάντωση. Η συχνότητα f0 µε την οποία πραγµατοποιείται µια ελεύθερη ταλάντωση, ονοµάζεται ιδιοσυχνότητα της ταλάντωσης.

Μια χρήσιµη παρατήρηση ( εκτός ύλης) ϑεωρητικά η συχνότητα της ϕθίνουσας ταλάντωσης fφ είναι µικρότερη από την ιδιοσυχνότητα f0 και αυτό επιβεβαιώνεται από την σχέση :

s ωφ =

ω02 −



b 2m

2

r ,

ω0 =

D m

η οποία ισχύει όταν στο σύστηµα ενεργεί µια δύναµη αντίστασης της µορφής F = −bυ . Σύµφωνα µε την παραπάνω σχέση γενικά ωφ < ω0 ή fφ < f0 . Στην περίπτωση όµως που η σταθερά b είναι πολύ µικρή ( σχολικό ϐιβλίο) τότε µπορούµε να ϑεωρήσουµε ότι fφ = f0 . 0

Αν ϑέλουµε να διατηρείται σταθερό το πλάτος της ταλάντωσης, πρέπει να ασκήσουµε στο σύστηµα µια περιοδική εξωτερική δύναµη (π.χ. Fδ = F0 ηµ(ωδ t + φ)). Αυτή την δύναµη την ονοµάζουµε διεγείρουσα δύναµη. Ο 2ος Νόµος του Νεύτωνα σε αυτή την περίπτωση ϑα έχει την παρακάτω µορφή :

ΣF = mα ⇒ −bυ − Dx + Fδ = mα

(1.74)

Θεωρούµε την διάταξη του διπλανού σχήµατος, όπου το ελατήριο είναι δεµένο µε σχοινί το άλλο άκρο είναι δεµένο σε ένα τροχό, ο οποίος µποϱεί να περιστρέφεται. Η περιστροφή του τροχού αναγκάζει το σώµα να εκτελεί κατακόρυφη ταλάντωση µε συχνότητα η οποία συµπίπτει µε την συχνότητα περιστροφής του τροχού. Η ταλάντωση αυτή ονοµάζεται εξαναγκασµένη.∆ηλαδή : Εξαναγκασµένη Ταλάντωση ονοµάζεται η ταλάντωση ενός συστήµατος, όταν σε αυτό ασκείται εξωτερική περιοδική δύναµη, µε αποτέλεσµα το πλάτος της ταλάντωσης να παραµένει σταϑερό. Ο τροχός µε την περιοδική δύναµη που ασκεί ονοµάζεται διεγέρτης. Η συχνότητα της εξαναγκασµένης ταλάντωσης είναι ίδια µε την συχνότητα του διεγέρτη (fδ ) και όχι 43


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου η ιδιοσυχνότητα του συστήµατος (f0 ). ∆ηλαδή στην εξαναγκασµένη ταλάντωση ο διεγέρτης επιβάλλει στην ταλάντωση την συχνότητα του. Καµπύλες Συντονισµού Το πλάτος της εξαναγκασµένης ταλάντωσης Α εξαρτάται από την συχνότητα fδ του διεγέρτη. Συγκεκριµένα, αν µεταβληθεί η συχνότητα fδ του διεγέρτη µεταβάλλεται και το πλάτος της εκτελούµενης ταλάντωσης. Οι τιµές του πλάτους είναι γενικά µικρές, εκτός και αν η συχνότητα του διεγέρτη πλησιάζει στην ιδιοσυχνότητα f0 , οπότε το πλάτος παίρνει µεγάλες τιµές και γίνεται µέγιστο, όταν η συχνότητα fδ γίνει ίση µε την ιδιοσυχνότητα. Τότε λέµε ότι έχουµε συντονισµό. Συντονισµός ονοµάζεται το ϕαινόµενο κατά το οποίο για µια ορισµένη συχνότητα του διεγέρτη, το πλάτος της εξαναγκασµένης ταλάντωσης ενός συστήµατος γίνεται µέγιστο. Στην περίπτωση που µια ταλάντωση δεν έχει απώλειες ενέργειας (b = 0), όταν fδ = f0 , το πλάτος γίνεται ϑεωρητικά άπειρο. Στην πράξη όµως αυτό είναι αδύνατο γιατί πάντα υπάρχουν (έστω και µικρές) απώλειες ενέργειας. Για διάφορες τιµές της σταθεράς απόσβεσης (b), το πλάτος παίρνει µια πεπερασµένη µέγιστη τιµή που εξαρτάται από την τιµή της σταθεράς απόσβεσης. Ταυτόχρονα ο συντονισµός συµβαίνει όταν η συχνότητα fδ του διεγέρτη είναι λίγο µικρότερη από την ιδιοσυχνότητα f0 . Οι Καµπύλες συντονισµού αποτυπώνουν µε τον καλύτερο τρόπο τα παραπάνω. Ενεργειακή προσέγγιση Στις ελεύθερες ταλαντώσεις, κατά την διέγερση του συστήµατος δίνεται σάυτό κάποια µηχανική ενέργεια, η οποία διατηρείται σταθερή, αν η ταλάντωση είναι αµείωτη, ή µετατρέπεται σε ϑερµότητα άν η ενέργεια είναι ϕθίνουσα. Στις εξαναγκασµένες ταλαντώσεις, στο σύστηµα προσφέρεται πεϱιοδικά ενέργεια µε συχνότητα Fδ , µέσω της διεγείρουσας δύναµης. Ο ϱυθµός µε τον οποίο προσφέρεται η ενέργεια στο σύστηµα ( Ισχύς της Fδ ) αντισταθµίζει τον ϱυθµό µε τον οποίο η ενέργεια µετατρέπεται σε ϑερµότητα λόγω τριβών και αντιστάσεων (Ισχύς της F 0 ) και έτσι το πλάτος παραµένει σταθερό. Ο τρόπος µε τον οποίο το ταλαντούµενο σύστηµα απορροφά την ενέργεια είναι ¨εκλεκτικός¨ και έχει να κάνει µε την συχνότητα που του προσφέρεται. Κατά τον συντονισµό, η ενέργεια µεΣχήµα 1.18: Καµπύλες συντονισµού πλάτους ταφέρεται στο σύστηµα µε ϐέλτιστο τρόπο, γι΄ αυτό και το πλάτος 44


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου είναι µέγιστο. Λέγοντας ϐέλτιστο τρόπο, εννοούµε ότι κατά τον συντονισµό η κατεύθυνση της εξωτερικής διεγείρουσας δύναµης (Fξ ) ταυτίζεται µε την κατεύθυνση της ταχύτητας υ του συστήµατος. Να σηµειωθεί ότι στην εξαναγκασµένη ταλάντωση µόνο κατά τον συντονισµό E = Kmax = Umax , για µια τυχαία συχνότητα διεγέρτη οι µέγιστες τιµές των ενεργειών διαφέρουν.

1.5.2

Ηλεκτρικές Ταλαντώσεις

Αν ένα κύκλωµα L − C διεγερθεί (π.χ. µε ϕόρτιση του πυκνωτή από πηγή συνεχούς τάσης) εκτελεί ελεύθερη ηλεκτρική ταλάντωση µε συχνότητα :

f0 =

1 √ 2π LC

(1.75)

Αν το κύκλωµα δεν παρουσιάζει αντίσταση (ιδανικό κύκλωµα L − C ), τότε η ταλάντωση είναι αµείωτη. Αν, όµως αντίσταση στο κύκλωµα δεν είναι αµελητέα (R 6= 0),η ταλάντωση είναι ϕθίνουσα µε συχνότητα ελαφρώς µικρότερη από την ιδιοσυντήρητα f0 του κυκλώµατος ( πρακτικά περίπου ίση για το σχολικό ϐιβλίο).΄Οπως και στις ϕθίνουσες µηχανικές ταλαντώσεις, έτσι και εδώ το κύκλωµα µπορεί να εκτελέσει εξαναγκασµένη ταλάντωση. Ως διεγέρτης µπορεί να χρησιµοποιηθεί µια πηγή εναλλασσόµενης τάσης, όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Τότε, το κύκλωµα διαρρέεται από εναλλασσόµενο ϱεύµα µε συχνότητα f ,ίδια µε της εναλλασσόµενης τάσης. Αν µεταβάλουµε την συχνότητα της τάσης, το πλάτος της έντασης του εναλλασσόµενου ϱεύµατος µεταβάλλεται και παίρνει την µέγιστη τιµή του, όταν η συχνότητα f γίνεται ακριβώς ίση µε την ιδιοσυχνότητα f0 του κυκλώµατος L−C . Στην περίπτωση αυτή λέµε ότι το κύκλωµα L − C ϐρίσκεται σε συντονισµό. Στο διάγραµµα του παρακάτω σχήµατος παριστάνεται το πλάτος I της έντασης του ϱεύµατος σε συνάρτηση µε την συχνότητα f , για διάφορες τιµές της ωµικής αντίστασης R. Παρατηρούµε ότι οι καµπύλες συντονισµού είναι αντίστοιχες µε εκείνες των µηχανικών εξαναγκασµένων ταλαντώσεων. Αυτό όµως που πρέπει να προσέξουµε είναι ότι καθώς η ωµική αντίσταση R αυξάνεται, το πλάτος της έντασης του ϱεύµατος I µειώνεται, αλλά η συχνότητα για την οποία συµβαίνει η µεγιστοποίηση του πλάτους της έντασης του ϱεύµατος δεν µετατοπίζεται προς µικρότερες τιµές, αλλά παραµένει πάντα ίδια µε την ιδιοσυχνότητα f0 του κυκλώµατος. Σχήµα 1.19: Καµπύλες συντονισµού πλάτους ϱεύµατος 45


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Βασική εφαρµογή του συντονισµού στις εξαναγκασµένης ηλεκτρικές ταλαντώσεις είναι το ϕαινόµενο ¨πίσω¨ από την επιλογή ϱαδιοφωνικού σταθµού στο ϱαδιόφωνο. Η επιλογή ϐασίζεται στον συντονισµό του κυκλώµατος L − C του ϱαδιοφώνου µε τα ϱαδιοφωνικά κύµατα. Μεταβάλλοντας την συχνότητα στο ϱαδιόφωνο µας µεταβάλλουµε την χωρητικότητα ενός πυκνωτή στο εσωτερικό του, άρα και την ιδιοσυχνότητα f0 µέχρι να ¨συντονιστούµε¨ µε την συχνότητα f του σταθµού και να ακούσουµε καθαρά την ένταση του σήµατος. Πρόταση Μελέτης : Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ. Παναγιωτακόπουλου 7.1 - 7.29, 7.33-7.37, 7.39, 7.40-7.43

1.6

Σύνθεση Ταλαντώσεων

΄Ενα σώµα µπορεί να εκτελεί ταυτόχρονα δυο αρµονικές ταλαντώσεις, οι οποίες µποϱεί να έχουν οποιαδήποτε διεύθυνση. Το αποτέλεσµα είναι, γενικά, µια πολύπλοκη κίνηση, της οποίας η διεύθυνση, η συχνότητα, το πλάτος και η ϕάση εξαρτώνται από τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά των επιµέρους ταλαντώσεων. Η κίνηση που κάνει το σώµα ονοµάζεται σύνθετη ταλάντωση και η µελέτη της Σύνθεση ταλαντώσεων. Στο παρόν µάθηµα ϑα µελετήσουµε δύο περιπτώσεις σύνθετης ταλάντωσης. Σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων που έχουν την ίδια διεύθυνση, την ίδια συχνότητα και γίνονται γύρω από το ίδιο σηµείο. ΄Εστω ότι ένα σώµα Σ εκτελεί ταυτόχρονα δύο απλές αρµονικές ταλαντώσεις πού :

ˆ Εξελίσσονται πάνω στην ίδια ευθεία και γύ��ω από την ίδια ϑέση ισορροπίας, ˆ έχουν την ίδια γωνιακή συχνότητα ω και ˆ έχουν πλάτη A1 καιA2 και διαφορά ϕάσης φ. Οι εξισώσεις των αποµακρύνσεων για τις δύο ταλαντώσεις ϑα είναι αντίστοιχα :

x1 = A1 ηµ(ωt)

x2 = A2 ηµ(ωt + φ)

Σύµφωνα µε την Αρχή της Επαλληλίας των κινήσεων, η αποµάκρυνση του σώµατος Σ σε κάθε χρονική στιγµή ϑα είναι το άθροισµα των αποµακρύνσεων που προκαλεί σε αυτό κάθε ταλάντωση ξεχωριστά. ΄Αρα ϑα είναι :

x(t) = x1 (t) + x2 (t) = A1 ηµ(ωt) + A2 ηµ(ωt + φ) Η παραπάνω σχέση µπορεί να πάρει την µορφή :

x = Aηµ(ωt + θ) όπου 46

(1.76)


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

A=

q A21 + A22 + 2A1 A2 συνφ

(1.77)

και

φθ =

A2 ηµφ A1 + A2 συνφ

(1.78)

Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει ότι η κίνηση του Σώµατος Σ είναι επίσης απλή αρµονική ταλάντωση γύρω από το ίδιο σηµείο, της ίδιας διεύθυνσης και της ίδιας συχνότητας µε πλάτος Α και διαφορά ϕάσης θ µε την ταλάντωση µε εξίσωση x1 = A1 ηµ(ωt). Οι παραπάνω σχέσεις µπορούν εύκολα να προκύψουν µε την χρήση της Αναπαράστασης του περιστρεφόµενου διανύσµατος για τις δύο ταλαντώσεις και την σύνθεση τους. Ειδικές περιπτώσεις (α) ΄Οταν ειναι φ = 0, τότε οι σχέσεις (1.77),(1.78) γράφονται :

A =

p A1 + A2 + 2A1 A2 = (A1 + A2 )2 ⇒ A = A1 + A2 (1.79) Σχήµα 1.20: Η σύνθεση µε την ϐοήθεια της αναπαράστασης περιστρεφόµενου διανύσµατος

και

φθ = 0 ⇒ θ = 0rad Παρατηρούµε ότι στην περίπτωση αυτή το πλάτος Α της ταλάντωσης είναι ίσο µε το άθροισµα των πλατών A1 , A2 των επιµέρους ταλαντώσεων. (ϐ) ΄Οταν φ = πrad, τότε η σχέση (1.77)γράφεται :

A=

p

A1 + A2 − 2A1 A2 =

p (A1 − A2 )2 ⇒ A = |A1 − A2 |

και η σχέση (1.78) δίνει θ = 0 ή θ = πrad. Παρατηρούµε ότι σε αυτή την περίπτωση το πλάτος Α της ταλάντωσης είναι ίσο µε την απόλυτη τιµή της διαφοράς των επιµέρους πλατών και η ϕάση είναι ίση µε την ϕάση της ταλάντωσης που έχει το µεγαλύτερο πλάτος ( δηλαδή θ = 0, αν A1 > A2 , και θ = π , όταν είναι A1 < A2 ). 47


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Ενέργεια σύνθετης ταλάντωσης Με ϐάση τον ορισµό της ενέργειας και την σχέση για το πλάτος 1.77 προκύπτει εύκολα ότι η Ενέργεια της σύνθετης ταλάντωσης ϑα δίνεται από την σχέση :

E = E1 + E2 + 2

p E1 E2 συνφ

(1.80)

όπου E1 , E2 οι ενέργειες των δυο επιµέρους ταλαντώσεων. Σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων που έχουν την ίδια διεύθυνση,γίνονται γύρω από το ίδιο σηµείο, µε ίδιο πλάτος και διαφορετική συχνότητα. ΄Εστω ότι ένα σώµα εκτελεί ταυτόχρονα δύο απλές αρµονικές ταλαντώσεις που :

ˆ Εξελίσσονται πάνω στην ίδια ευθεία και γύρω από την ίδια ϑέση ισορροπίας, ˆ έχουν το ίδιο πλάτος Α και τους, ˆ οι γωνιακές συχνότητες τους ω1 και ω2 διαφέρουν λίγο µεταξύ τους. Οι εξισώσεις που περιγράφουν δύο τέτοιες ταλαντώσεις είναι αντίστοιχα :

x1 = Aηµ(ω1 t)

x2 = Aηµ(ω2 t)

Σύµφωνα µε την Αρχή της Επαλληλίας των κινήσεων, η αποµάκρυνση του σώµατος Σ κάθε χρονική στιγµή ϑα είναι το άθροισµα των αποµακρύνσεων που προκαλεί σε αυτό κάθε ταλάντωση ξεχωριστά. ΄Αρα ϑα είναι :

x(t) = x1 (t) + x2 (t) = Aηµ(ω1 t) + Aηµ(ω2 t) = A(ηµ(ω1 t) + ηµ(ω2 t)) και µε την χρήση της αντίστοιχης τριγωνοµετρικής ταυτότητας προκύπτει ότι :

 x = 2Aσυν

   ω1 − ω2 ω1 + ω2 t ηµ t 2 2

(1.81)

Επειδή όµως οι συχνότητες ω1 , ω2 διαφέρουν πολύ λίγο µεταξύ τους, από την τελευταία σχέση µπορούµε να συµπεράνουµε ότι : 48


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

ˆ Ο παράγοντας



0

A = 2Aσυν

ω1 − ω2 t 2

 (1.82)

µεταβάλλεται  µε τον χρόνο πολύ αργά σε σχέση µε τον δεύτερο παράγοντα ω1 +ω2 t . Αυτό σηµαίνει ότι µπορούµε να επιλέξουµε τον παράγοντα αυτό ηµ 2 ως πλάτος της συνισταµένης ταλάντωσης, το οποίο µεταβάλλεται µε αργό ϱυθµό από |A0 | = 0 µέχρι |A0 | = 2A.

ˆ Ο παράγοντας ηµ συχνότητα ω ¯

ω1 +ω2 t 2



µεταβάλλεται αρµονικά µε τον χρόνο µε γωνιακή

ω ¯=

ω1 + ω2 ' ω1 ' ω2 2

(1.83)

Εποµένως η εξίσωση (1.81) γράφεται :

ω t) x = A0 ηµ(¯

(1.84)

η παραπάνω σχέση περιγράφει µια ιδιόµορφη ταλάντωση που έχει την ίδια περίπου συχνότητα µε τις επιµέρους ταλαντώσεις και πλάτος |A0 | που µεταβάλλεται, µε αργό ϱυθµό, από µηδέν µέχρι 2A. Λέµε ότι η κίνηση του σώµατος Σ παρουσιάζει διακροτήµατα. ∆ηλαδή : ∆ιακρότηµα ονοµάζεται η ιδιόµορφη ταλάντωση που προκύπτει από την σύνθεση δυο αρµονικών ταλαντώσεων που γίνονται γύρω από το ίδιο σηµείο και έχουν την ίδια διεύθυνση, το ίδιο πλάτος και οι συχνότητες τους διαϕέρουν πολύ λίγο µεταξύ τους. Ο χρόνος Tδ ανάµεσα σε δύο διαδοχικούς µηδενισµούς (ή δύο διαδοχικές µεγιστοποιήσεις) του πλάτους, ονοµάζεται Περίοδος του ∆ιακροτήµατος. Υπολογισµός της περιόδου του διακροτήµατος ότι το πλάτος A0 µηδενίζεται όταν :

 2Aσυν

Από την σχέση (1.82)προκύπτει

 ω1 − ω2 t =0 2

|ω1 − ω2 | π t = (2κ + 1) 2 2 όπου κ = 0, 1, 2, ... Θέτοντας κ = 0 και κ = 1 στην τελευταία σχέση, µπορούµε να έχουµε δυο χρονικές στιγµές t1 και t2 που αντιστοιχούν σε δύο διαδοχικούς χρόνους µηδενισµού του πλάτους Α΄. ΄Αρα από τον ορισµό της περιόδου διακροτήµατος έχουµε :

Tδ = t2 − t1 =

3π π 2π 2π − ⇒ Tδ = = |ω1 − ω2 | |ω1 − ω2 | |ω1 − ω2 | 2π|f1 − f2 | 49


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Σχήµα 1.21: Η σύνθεση δύο ταλαντώσεων µε κοντινές συχνότητες ΄Αρα η περίοδος δια κροτήµατος δίνεται από την σχεση :

Tδ =

1 |f1 − f2 |

(1.85)

και η συχνότητα του δια κροτήµατος που εκφράζει τον αριθµό των διακροτηµάτων ανά δευτερόλεπτο ϑα δίνεται από την σχέση :

fδ =

1 = |f1 − f2 | Tδ

(1.86)

Πρόταση Μελέτης : Λύσε τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ. Παναγιωτακόπουλου 8.1 - 8.44, 8.50 - 8.53, 8.55-8.59, 8.62 - 8.65, 8.67, 8.68, 8.70, 8.71, 8.73-8.76, 8.78, 8.83-8.88, 8.90, 8.92, 8.94-8.98

50


Κεφάλαιο 2 Κύµατα 2.1

Ορισµός του κύµατος

Κύµα ονοµάζεται η διάδοση µιας διαταραχής που µεταφέρει ενέργεια και ορµή µε σταθερή ταχύτητα. Ελαστικό µέσο ονοµάζεται κάθε υλικό µέσο που, για λόγους απλότητας, δεχόµαστε ότι έχει τις εξής ιδιότητες :

ˆ Αποτελείται από σωµατίδια, τα οποία πληρούν το µέσο χωρίς διάκενα. ˆ Τα σωµατίδια αυτά συνδέονται µεταξύ τους µε ελαστικές δυνάµεις. Αν για κάποιο λόγο ένα σωµατίδιο Σ αποµακρυνθεί από τη ϑέση ισορροπίας του, τότε εµφανίζεται µια δύναµη που τείνει να επαναφέρει το σωµατίδιο στη ϑέση ισορροπίας του. Ταυτόχρονα, λόγω αντιδράσεων, δέχονται δυνάµεις και τα γειτονικά σωµατίδια, οπότε αποµακρύνονται και αυτά από τις ϑέσεις ισορροπίας τους. Με τον τρόπο αυτό η διαταραχή που προκλήθηκε στο σωµατίδιο Σ διαδίδεται σταδιακά από το ένα σηµείο του ελαστικού µέσου στο άλλο και προς όλες τις διευθύνσεις µε ορισµένη ταχύτητα. όταν το µέσο είναι οµογενές και ισότροπο ( δηλ. έχει τις ίδιες ϕυσικές ιδιότητες προς όλες τις διευθύνσεις), η ταχύτητα είναι ίδια προς όλες τις διευθύνσεις. Κατά την διάδοση ενός κύµατος µεταφέρεται ενέργεια και ορµή από το ένα σηµείο του µέσου στο άλλο, όχι όµως και ύλη Αν ένα σωµατίδιο Σ (η πηγή των κυµάτων) εκτελεί εξαναγκασµένη ταλάντωση µε την επίδραση µιας εξωτερικής περιοδικής δύναµης, τότε η ενέργεια που προσφέρεται συνεχώς στο σωµατίδιο αυτό ϑα µεταβιβάζεται προς όλες τις διευθύνσεις µε ορισµένη ταχύτητα. ΄Οταν το κύµα ϕθάνει σε ένα οποιοδήποτε σωµατίδιο του µέσου, αυτό αρχίζει επίσης να εκτελεί εξαναγκασµένη ταλάντωση και αποκτά ενέργεια ( κινητική και δυναµική), η οποία µεταβιβάζεται στα γειτονικά του σωµατίδια κ.ο.κ. ΄Ετσι µε την διαδικασία αυτή, γίνεται µεταφορά της ενέργειας που παρέχεται στη πηγή Σ των κυµάτων από το εξωτερικό αίτιο, χωρίς να γίνεται µεταφορά ύλης, αφού τα σωµατίδια του µέσου εκτελούν εξαναγκασµένες ταλαντώσεις γύρω από τις ϑέσεις ισορροπίας τους. ΄Οταν η ταλάντωση της πηγής Σ είναι απλή αρµονική ταλάντωση, τότε το παραγόµενο κύµα ονοµάζεται Αρµονικό Κύµα.

2.2

Τα είδη των κυµάτων

Τα κύµατα, ανάλογα µε τον µηχανισµό παραγωγής και διάδοσης τους, διακρίνονται σε δύο ϐασικές κατηγορίες :


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ˆ Στα Μηχανικά Κύµατα, που είναι η διάδοση µιας διαταραχής σε ένα ελαστικό µέσο. Τα µηχανικά κύµατα ( σεισµικά, υδάτινα, ηχητικά κλπ) διαδίδονται µόνο σε υλικά σώµατα που έχουν την ικανότητα να δέχονται και να µεταβιβάζουν προσωρινές παραµορφώσεις.

ˆ Στα Ηλεκτροµαγνητικά Κύµατα, που είναι η διάδοση µιας ηλεκτροµαγνητικής διαταραχής. Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα ( ϕωτεινά κύµατα, ϱαδιοκύµατα, ακτίνες Χ, ακτίνες γ) διαδίδονται και στο κενό µε ταχύτητα c = 3 · 108 m/s. Με κριτήριο τις διαστάσεις του ελαστικού µέσου, τα κύµατα διακρίνονται σε :

ˆ Γραµµικά Κύµατα,δηλαδή κύµατα που διαδίδονται µόνο σε µια διεύθυνση. Γραµµικά κύµατα διαδίδονται κατά µήκος µιας τεντωµένης ελαστικής χορδής.

ˆ Επιφανειακά Κύµατα,δηλαδή κύµατα που διαδίδονται στην επιφάνεια ενός υλικού µέσου. Επιφανειακά κύµατα διαδίδονται στην επιφάνεια του νερού.

ˆ Κύµατα χώρου, δηλαδή κύµατα που διαδίδονται προς όλες τις διευθύνσεις ενός υλικού µέσου. Κύµατα χώρου είναι τα ηχητικά κύµατα που διαδίδονται στον αέρα. Με κριτήριο το µηχανισµό διάδοσης, τα κύµατα διακρίνονται σε :

ˆ Εγκάρσια Κύµατα, όπου τα σωµατίδια του ελαστικού µέσου ταλαντώνονται σε διεύθυνση κάθετη προς την διεύθυνση διάδοσης του κύµατος. Τα εγκάρσια κύµατα διαδίδονται στα στερεά σώµατα και στην ελεύθερη επιφάνεια των υγρών. Κατά τη διάδοση των εγκαρσίων κυµάτων σχηµατίζονται ¨όρη¨ και ¨κοιλάδες¨, όπως ϕαίνεται στο διπλανό σχήµα.

Σχήµα 2.1: Εγκάρσιο Κύµα

ˆ ∆ιαµήκη Κύµατα, όπου τα σωµατίδια του ελαστικού µέσου ταλαντώνονται σε διεύθυνση παράλληλη προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύµατος. Τα διαµήκη κύµατα διαδίδονται στα στερεά, τα υγρά και τα αέρια. Κατά την διάδοση των διαµήκων κυµάτων εµφανίζονται ¨πυκνώµατα¨ και ¨αραιώµατα¨. Στα στερεά τα διαµήκη κύµατα διαδίδονται µε µεγαλύτερη ταχύτητα από ό,τι στα εγκάρσια. Με κριτήριο τη µετακίνηση ή όχι της ϕάσης, τα κύµατα διακρίνονται σε :

ˆ Τρέχοντα Κύµατα, όπου συµβαίνει µετακίνηση της ϕάσης του κύµατος από το ένα σηµείο του µέσου στο άλλο µε πεπερασµένη ταχύτητα.

ˆ Στάσιµα Κύµατα, όπου η ϕάση του κύµατος δεν µετακινείται. 52


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Σχήµα 2.2: ∆ιαµήκες Κύµα

2.3

Τα στοιχεία του τρέχοντος αρµονικού κύµατος

Τα στοιχεία ενός τρέχοντος αρµονικού κύµατος είναι τα εξής : α. Η περίοδος, η συχνότητα και το πλάτος του αρµονικού κύµατος ΄Οταν η πηγή ενός κύµατος, εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε περίοδο Τ, συχνότητα f και πλάτος Α, τότε τα σωµατίδια του ελαστικού µέσου όπου διαδίδεται το κύµα εκτελούν επίσης απλή αρµονική ταλάντωση που έχει την ίδια περίοδο, την ίδια συχνότητα και το ίδιο πλάτος µε την ταλάντωση της πηγής. Τα µεγέθη αυτά, όταν αναφερόµαστε στο κύµα, αποτελούν τα αντίστοιχα µεγέθη του κύµατος. ΄Αρα :

Περίοδος (Τ)ενός αρµονικού κύµατος είναι το χρονικό διάστηµα στο οποίο ένα σωµατίδιο του µέσου εκτελεί µια πλήρη ταλάντωση. Αν ϕωτογραφίζαµε το µέσο στο οποίο διαδίδεται ένα αρµονικό κύµα την χρονική στιγµή t1 = T και t2 = 2T , ϑα ϐλέπαµε ότι η κυµατική εικόνα επαναλαµβάνεται. Εποµένως µπορούµε να ορίσουµε την περίοδο ενός αρµονικού κύµατος και ως εξής : Περίοδος ενός αρµονικού κύµατος είναι το χρονικό διάστηµα στο οποίο η κυµατική εικόνα επαναλαµβάνεται.

Συχνότητα (f ) ενός αρµονικού κύµατος είναι η συχνότητα µε την οποία ταλαντώνονται τα σωµατίδια του µέσου. Η συχνότητα της εξαναγκασµένης ταλάντωσης των σωµατιδίων ενός ελαστικού µέσου, στο οποίο διαδίδεται ένα κύµα, αποτελεί χαρακτηριστικό γνώρισµα της πηγής του κύµατος και δεν εξαρτάται από το ελαστικό µέσο.

Πλάτος (Α) ενός αρµονικού κύµατος είναι το πλάτος µε το οποίο ταλαντώνονται τα σωµατίδια του µέσου. ϐ. Η ταχύτητα διάδοσης του αρµονικού κύµατος 53


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Ταχύτητα διάδοσης (υ ) ενός αρµονικού κύµατος ονοµάζεται η ταχύτητα µε την οποία διαδίδεται το κύµα σε ένα ορισµένο ελαστικό µέσο. ΄Οταν το ελαστικό µέσο είναι οµογενές και ισότροπο, η ταχύτητα διάδοσης ενός µηχανικού κύµατος είναι σταθερή και δίνεται από την σχέση :

υ=

x t

(2.1)

όπου x είναι η απόσταση την οποία διατρέχει το κύµα κατά µήκος µιας ευθείας διάδοσης του και t ο χρόνος που χρειάζεται για αυτό. Η σταθερή ταχύτητα µε την οποία διαδίδεται ένα κύµα σε ένα ελαστικό µέσο δεν πρέπει να συγχέεται µε τη χρονικά µεταβαλλόµενη ταχύτητα της ταλάντωσης των σωµατιδίων του µέσου. Η ταχύτητα διάδοσης ενός κύµατος εξαρτάται από το αν το κύµα είναι εγκάρσιο ή διαµήκες και καθορίζεται από την ελαστικότητα και την αδράνεια του ελαστικού µέσου. γ. Το µήκος κύµατος του αρµονικού κύµατος

Σχήµα 2.3: Σε χρόνο Τ µια κορυφή του κύµατος µετακινείται κατά λ

Μήκος Κύµατος (λ)ενός αρµονικού κύµατος που διαδίδεται σε ένα ελαστικό µέσο ονοµάζεται η απόσταση την οποία διατρέχει το κύµα στο µέσο αυτό σε χρόνο ίσο µε µια περίοδο του κύµατος Αν στην σχέση (2.1)θέσουµε t = T και x = λ, ϑα έχουµε :

υ= 54

λ ⇒υ =λ·f T

(2.2)


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου όπου f είναι η συχνότητα του κύµατος. Η τελευταία σχέση ισχύει για οποιοδήποτε αρµονικό κύµα και ονοµάζεται Θεµελιώδης εξίσωση της Κυµατικής. Στην ϑεµελιώδη εξίσωση της κυµατικής η συχνότητα f καθορίζεται από την πηγή του κύµατος και η ταχύτητα υ από το µέσο διάδοσης του κύµατος. Κατά συνέπεια, όταν ένα κύµα µεταβαίνει από ένα µέσο Α σε ένα άλλο µέσο Β, αλλάζει η ταχύτητα και κατά συνέπεια και το µήκος κύµατος.

2.3.1

Η εξίσωση του Αρµονικού Κύµατος

Εξίσωση ενός αρµονικού κύµατος ονοµάζουµε την εξίσωση που µας δίνει την αποµάκρυνση ενός σωµατιδίου του µέσου διάδοσης του κύµατος σε συνάρτηση µε τον χρόνο και µε την απόσταση του σωµατιδίου από την αρχή µέτρησης των αποστάσεων. Υποθέτουµε ότι στο σηµείο Ο ενός ελαστικού µέσου υπάρχει µια πηγή κυµάτων, η οποία εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση συχνότητας f και ότι το κύµα που παράγεται διαδίδεται κατά την ϑετική κατεύθυνση του άξονα Οx (προς τα δεξιά της πηγής των κυµάτων) µε ταχύτητα υ . Εκλέγουµε ως αρχή µέτρησης των αποστάσεων (x = 0) το σηµείο Ο και ως αρχή των χρόνων (τ=0) τη χρονική στιγµή κατά την οποία η ϕάση στο σηµείο Ο είναι ίση µε µηδέν, δηλαδή η αποµάκρυνση από την ϑέση ισορροπίας είναι y = 0 και η ταχύτητα έχει ϑετική ϕορά (υ > 0). Αυτό σηµαίνει ότι η εξίσωση της αποµάκρυνσης στο σηµείο Ο ϑα είναι της µορφής !

 y = Aηµ(ωt) = Aηµ

 2π t T

(2.3)

όπου ω είναι η γωνιακή συχνότητα και Τ η περίοδος της ταλάντωσης της πηγής των κυµάτων. ΄Ενα σηµείο Μ του µέσου που απέχει απόσταση (ΟΜ)=x από την πηγή ϑα αρχίσει να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή :

t1 =

x υ

(2.4)

Εποµένως σε µια τυχαία χρονική στιγµή t το σηµείο Μ ϑα έχει ταλαντωθεί για χρόνο :

t − t1 = t −

x υ

(2.5)

΄Αρα, µε την προϋπόθεση ότι το πλάτος της ταλάντωσης του σηµείου Μ είναι ίσο µε το πλάτος της ταλάντωσης του σηµείου Ο, η εξίσωση της αποµάκρυνσης του σηµείου Μ ϑα δίνεται από την εξίσωση :

    2π  x t x t x y = Aηµ t− = Aηµ2π − ⇒ y = Aηµ2π − T υ T υT T λ

(2.6)

Η σχέση (2.6) αποτελεί την Εξίσωση του Αρµονικού Κύµατος 55


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ∆ιάδοση του Κύµατος κατά την αρνητική ϕορά Αν το κύµα διαδίδεται κατά την αρνητική ϕορά του άξονα Οx, δηλαδή από το σηµείο Μ προς το Ο, τότε ϕτάνει πρώτα στο σηµείο Μ και µετά στο σηµείο Ο. Αυτό σηµαίνει ότι η ϕάση της ταλάντωσης στο σηµείο Ο προηγείται της ϕάσης της ταλάντωσης στο σηµείο Ο κατά γωνία φ = 2π λx . ΄Αρα αν κατά την χρονική στιγµή t η αποµάκρυνση στο σηµείο Ο δίνεται από την εξίσωση (2.3), την ίδια χρονική στιγµή η αποµάκρυνση στο σηµείο Ο δίνεται από την εξίσωση :

 y = Aηµ

     2π 2π x t x t + φ = Aηµ t + 2π ⇒ y = Aηµ2π + T T λ T λ

(2.7)

Για κάθε σηµείο που ϐρίσκεται στο αρνητικό ηµιάξονα το x ϑα µπαίνει στις εξισώσεις µε το πρόσηµο του. Η ταλάντωση των σωµατιδίων του ελαστικού µέσου ΄Οταν στο ελαστικό µέσο διαδίδεται ένα αρµονικό κύµα, κάθε σηµείο του εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση, αφού το κύµα περάσει από αυτό και το διεγείρει. Αν υποθέσουµε ένα κύµα που οδεύει προς τον ηµιάξονα µε ϕορά προς τα δεξιά, οι χρονικές εξισώσεις της ταλάντωσης ενός υλικού σηµείου Μ που απέχει απόσταση xM από το Ο ϑα είναι : Εξίσωση της αποµάκρυνσης από την Θέση Ισορροπίας

 yM = Aηµ2π

xM t − T λ

 (2.8)

Εξίσωση της ταχύτητας ταλάντωσης

 VM = ωAσυν2π

xM t − T λ

 (2.9)

Εξίσωση της επιτάχυνσης ταλάντωσης

2

2

αM = −ω · yM ⇒ αM = −ω Aηµ2π



t xM − T λ

 (2.10)

Οι παραπάνω σχέσεις είναι οι γνωστές µας εξισώσεις της απλής αρµονικής ταλάντωσης για ένα σωµατίδιο µάζας m που ϐρίσκεται στο ελαστικό µέσο. Οι παραπάνω σχέσεις όµως έχουν νόηµα όταν το κύµα έχει ϕτάσει στο σηµείο Μ, δηλαδή όταν :

xM xM t − ≥0⇒t≥ (2.11) T λ υ Προφανώς, για κάθε σωµατίδιο µάζας m του ελαστικού µέσου που ταλαντώνεται µε πλάτος Α και σταθερά επαναφοράς D = mω 2 ισχύει η Αρχή ∆ιατήρησης της φ≥0⇒

Ενέργειας:

1 2 1 2 1 Dy + mv = DA2 2 2 2 56

(2.12)


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου όπου y η αποµάκρυνση του σωµατιδίου από την ϑέση ισορροπίας και v η ταχύτητα ταλάντωσης του σε µια τυχαία χρονική στιγµή.

2.3.2

Γραφική παράσταση του αρµονικού κύµατος

Από τη µορφή της εξίσωσης του αρµονικού κύµατος προκύπτει ότι η αποµάκρυνση y από την ϑέση ισορροπίας είναι µια συνάρτηση δύο µεταβλητών. Εξαρτάται από τον χρόνο t και από την ϑέση x του σωµατιδίου.Κατά συνέπεια η γραφική παράσταση αυτής της εξίσωσης να µπορεί να πραγµατοποιηθεί αν ϑεωρήσουµε τη µια από τις δύο µεταβλητές σταθερή. ΄Ετσι διακρίνουµε 2 περιπτώσεις γραφικών παραστάσεων. α) Ταλάντωση σωµατιδίου του µέσου Για ένα δεδοµένο σωµατίδιο του µέσου που ϐρίσκεται σε ένα σηµείο του άξονα Ox, δηλαδή για x = x1 η εξίσωση του αρµονικού κύµατος παριστάνει την εξίσωση ταλάντωσης του σωµατιδίου και γράφεται :

 y = Aηµ2π

x1 t − T λ

 = f (t),

t≥

x1 υ

και δείχνει ότι η αποµάκρυνση y στο ϑεωρούµενο σηµείο είναι µια ηµιτονοειδής συνάρτηση του χρόνου. Επίσης είναι σαφές ότι η ταλάντωση του σωµατιδίου

Σχήµα 2.4: Γραφική παράσταση της αποµάκρυνσης ενός σωµατιδίου που ϐρίσκεται στην ϑέση x1 σε συνάρτηση µε τον χρόνο.

ξεκινά µετά την χρονική στιγµή που το κύµα έχει ϕτάσει στο σηµείο αυτό. Αντίστοιχες είναι και οι γραφικές παραστάσεις της ταχύτητας,της επιτάχυνσης, της ∆ύναµης επαναφοράς. ϐ) Στιγµιότυπο του κύµατος Για µια δεδοµένη χρονική στιγµή. t = t1 , η εξίσωση του αρµονικού κύµατος γράφεται :

 y = Aηµ2π

t1 x − T λ

δηλαδή για

 = f (x) 57


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Σχήµα 2.5: Στιγµιότυπα του κύµατος σε διάφορες χρονικές στιγµές. Στη διάρκεια µιας περιόδου του κύµατος, αυτό διατρέχει απόσταση ίση µε το µήκος κύµατος λ και κάθε σωµατίδιο του µέσου εκτελεί µια πλήρη ταλάντωση. και δείχνει ότι η αποµάκρυνση y στα διάφορα σηµεία του άξονα Ox είναι ηµιτονοειδής συνάρτηση της απόστασης x. Η Μεθοδολογία για την σχεδίαση ενός στιγµιότυπου 1ο Βήµα : Θέτουµε στην εξίσωση του κύµατος όπου t = t1 για να ϐρούµε την εξίσωση y = f (x) της οποίας την γραφική παράσταση ϑα σχεδιάσουµε. 2ο Βήµα : Βρίσκουµε πόσο µακριά έχει ϕτάσει από την αρχή Ο το κύµα (x = υt) και συγκρίνουµε αυτή την απόσταση µε το µήκος κύµατος λ (ή το λ/4). 3ο Βήµα : Βρίσκουµε την αποµάκρυνση y του σηµείου Ο (x = 0) την χρονική στιγµή t1 , 58


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϑέτοντας στην εξίσωση που ϐρήκαµε στο 1ο ϐήµα x = 0. 4ο Βήµα : Σχεδιάζουµε το στιγµιότυπο ξεκινώντας από το πιο αποµακρυσµένο σηµείο από την αρχή Ο, όπου έχει ϕτάσει το κύµα την χρονική στιγµή t1 . Το σηµείο αυτό την στιγµή t1 ϐρίσκεται στην ϑέση ισορροπίας του µε ϑετική ταχύτητα. Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 9.1 -9.27, 9.70, 9.73, 9.74, 9.76, 9.78, 9.79, 9.81, 9.82, 9.85, 9.87, 9.89, 9.90, 9.91 - 9.94, 9.96 - 9.98, 9.100 - 9.105, 9.107, 9.109

2.3.3

Φάση του Αρµονικού Κύµατος

Στην εξίσωση του αρµονικού κύµατος η παράσταση :

 φ = 2π

x t ± T λ

 (2.13)

έχει διαστάσεις γωνίας (rad) και ονοµάζεται ϕάση του κύµατος. Από τη σχέση (2.13)προκύπτει ότι η ϕάση φ ενός κύµατος εξαρτάται από την απόσταση x από το σηµείο Ο και από τον χρόνο t. Αυτό σηµαίνει ότι για ένα δεδοµένο σηµείο του άξονα Ox (x = x1 ) η ϕάση ϑα µεταβάλλεται σε συνάρτηση µε τον χρόνο t και σε µια δεδοµένη χρονική στιγµή t = t1 η ϕάση ϑα µεταβάλλεται σε συνάρτηση µε την απόσταση x από την πηγή του κύµατος. Κάθε σηµείο του µέσου που ταλαντώνεται έχει ϕάση φ ≥ 0.Την ίδια χρονική στιγµή t κάθε τέτοιο σηµείο έχει διαφορετική ϕάση από τα υπόλοιπα. Μεταξύ δύο σηµείων, µεγαλύτερη ϕάση έχει το σηµείο στο οποίο ϕτάνει πρώτα το κύµα.

Φάση ενός υλικού σηµείου του ελαστικού µέσου στο οποίο διαδίδεται ένα αρµονικό κύµα. Για ένα δεδοµένο σηµείο Μ που ϐρίσκεται στην ϑέση x = x1 η ϕάση γράφεται :

 φM = 2π

x1 t − T λ

 ,

t≥

x1 υ

ϐέβαια παραπάνω υποθέσαµε ότι το κύµα διαδίδεται προς την ϑετική ϕορά του άξονα διάδοσης. Η γραφική παράσταση της ϕάσης σε συνάρτηση µε τον χρόνο t για το σωµατίδιο στη ϑέση Μ ϑα είναι µια ευθεία γραµµή. Η χρονική στιγµή Σχήµα 2.6: Φάση για ένα σωµαd είναι η στιγµή που ξεκινά να ταλαντώνεται το τίδιο σε συνάρτηση µε τον χρονο υ σηµείο Μ. 59


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ∆ιαφορά ϕάσης του ίδιου υλικού σηµείου σε δύο διαφορετικές χρονικές στιγµές. Για το υλικό σηµείο Μ σε δύο τυχαίες χρονικές στιγµές t1 και t2 η διαφορά ϕάσης υπολογίζεται :

 ∆φ = 2π

t2 x1 − T λ



 − 2π

t1 x1 − T λ

 ⇒ ∆φ =

2π ∆t T

Φάση ταλάντωσης των υλικών σηµείων του µέσου για µια δεδοµένη χρονική στιγµή Σε µια δεδοµένη χρονική στιγµή t − t1 η ϕάση του αρµονικού κύµατος γράφεται :

 φM = 2π

t1 x − T λ



Παρατηρούµε ότι τα υλικά σηµεία του µέσου στο οποίο διαδίδεται ένα αρµονικό κύµα ϑα έχουν διαφορετική ϕάση σε µια χρονική στιγµή t1 . Επίσης η ϕάση είναι ϕθίνουσα συνάρτηση Σχήµα 2.7: Φάση σωµατιδίων του στην διεύθυνση διάδοσης του κύµατος. µέσου σε δεδοµένη χρονική στιγ∆ιαφορά ϕάσης δύο υλικών σηµείων του µή µέσου σε µια δεδοµένη χρονική στιγµή. Θεωρούµε δυο σηµεία το Α και το Β του άξονα Ox που απέχουν αποστάσεις xA και xB από το σηµείο Ο. Οι ϕάσεις των ταλαντώσεων τους κατά την ίδια χρονική στιγµή t ϑα είναι αντίστοιχα :



xA t − T λ





xB t − T λ



φA = 2π και

φB = 2π

Αν υποθέσουµε ότι xB > xA τότε ϑα είναι και φA > φB . ΄Αρα η διαφορά ϕάσης µεταξύ τους ϑα είναι :

 ∆φ = 2π

t xA − T λ



 − 2π

t xB − T λ

 ⇒ ∆φ = 2π

Από την παραπάνω σχέση συµπεραίνουµε τα εξής : α) Αν είναι ∆x = κλ, τότε ϑα είναι :

∆φ = 2κπ και κατά συνέπεια : 60

∆x λ


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

yA = Aηµ(φA ) ⇒ yA = Aηµ(φB + 2κπ) = Aηµ(φB ) ⇒ yA = yB ΄Αρα : όταν η διαφορά των αποστάσεων δύο σηµείων από την πηγή του κύµατος είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του µήκους κύµατος, τότε τα σηµεία αυτά έχουν σε κάθε χρονική στιγµή την ίδια αποµάκρυνση από την ϑέση ισορροπίας και την ίδια ταχύτητα ταλάντωσης και ϑεωρούνται ότι ϐρίσκονται σε συµφωνία ϕάσης. ∆ηλαδή :

∆x = κλ, κ = 1, 2, ... ⇒ Συµφωνία Φάσης Από το παραπάνω προκύπτει και ένας άλλος ορισµός του µήκους κύµατος : Μήκος Κύµατος λ ονοµάζεται η απόσταση δύο διαδοχικών σηµείων της ευθείας διάδοσης του κύµατος, τα οποία ϐρίσκονται σε συµφωνία ϕάσης ϐ) Αν είναι ∆x = (2κ + 1) λ2 , τότε ϑα είναι :

∆φ = (2κ + 1)π και κατα συνέπεια,

yA = Aηµ(φA ) ⇒ yA = Aηµ(φB + (2κ + 1)π) = −Aηµ(φB ) ⇒ yA = −yB ΄Αρα : όταν η διαφορά των αποστάσεων δύο σηµείων από την πηγή του κύµατος είναι περιττό πολλαπλάσιο του µισού µήκους κύµατος, τότε τα σηµεία αυτά έχουν σε κάθε χρονική στιγµή αντίθετη αποµάκρυνση και αντίθετη ταχύτητα ταλάντωσης και ϑεωρούνται ότι ϐρίσκονται σε αντίθεση ϕάσης. ∆ηλαδή :

∆x = (2κ + 1) λ2 , κ = 0, 1, 2, ... ⇒ Αντίθεση Φάσης

Σχήµα 2.8: Σηµεία σε συµφωνία ϕάσης απέχουν αποστάσεις λ, 2λ, 3λ, ..., ενώ σηµεία σε αντίθεση ϕάσης απέχουν αποστάσεις λ2 , 3λ , 5λ , .... 2 2

61


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 9.28 - 9.58, 9.122, 9.123, 9.126, 9.127, 9.128, 9.130 9.136, 9.139, 9.140, 9.143 - 9.150, 9.153

2.3.4

Αρµονικό Κύµα µε αρχική ϕάση

Αν η ταλάντωση του σηµείου Ο (x = 0), που το ϑεωρούµε ως αρχή µέτρησης των αποστάσεων, έχει αρχική ϕάση φ0 ,

y = Aηµ(

2π t + φ0 ) T

τότε η εξίσωση του αρµονικού κύµατος έχει τη µορφή :

 y = Aηµ

2π 2π t− x + φ0 T λ



 ⇒ y = Aηµ2π

t x φ0 − + T λ 2π

 (2.14)

η παραπάνω µορφή προκύπτει εύκολα αν ϑυµηθούµε την απόδειξη της εξίσωσης του αρµονικού κύµατος (2.6). Πρακτικά Αρχική ϕάση φ0 για ένα κύµα µπορεί να σηµαίνει ότι :

ˆ είτε ότι το σηµείο Ο έχει αρχίσει να εκτελεί ταλάντωση πριν τη χρονική στιγµή που ϑεωρούµε εµείς ως t = 0, οπότε αυτό έχει ως αποτέλεσµα τη χρονική στιγµή t = 0 το κύµα να έχει διαδοθεί σε κάποια απόσταση πέρα από το Ο. Για αν ϐρούµε που έχει ϕτάσει το κύµα την χρονική στιγµή t = 0 αρκεί να ϑέσουµε φ0 = 0, φ = 2π Tt − λx + 2π ˆ είτε ότι τη χρονική στιγµή t = 0 το κύµα δεν έχει ϕτάσει στο σηµείο Ο, ˆ είτε το σηµείο Ο ξεκινά να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t = 0 µε ϕορά προς τα κάτω και µε ταχύτητα v = −vmax . Στην περίπτωση αυτή το κύµα δεν έχει διαδοθεί πέρα από το σηµείο Ο τη χρονική στιγµή t = 0, αλλά όλα τα σηµεία του ελαστικού µέσου στα οποία ϕτάνει το κύµα ξεκινούν να ταλαντώνονται µε ϕορά προς τα κάτω ( όπως το σηµείο Ο). Με ϐάση τα παραπάνω πρέπει να µας είναι σαφές ότι ένα κύµα δεν έχει αρχική ϕάση όταν τη χρονική στιγµή t = 0 το σηµείο Ο (x = 0) ξεκινά να ταλαντώνεται µε ταχύτητα v = +vmax . Επίσης αν και η αρχική ϕάση στις ταλαντώσεις παίρνει τιµές 0 ≤ φ0 ≤ 2πrad ,στα κύµατα µπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιµή.

Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 9.156, 9.158, 9.160, 9.162, 9.163 62


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

2.4

Συµβολή Κυµάτων

΄Οταν δύο ή περισσότερα κύµατα διαδίδονται ταυτόχρονα στο ίδιο ελαστικό µέσο λέµε ότι συµβάλλουν. ΄Εχει διαπιστωθεί ότι για την κίνηση των σωµατιδίων του µέσου τα κύµατα ακολουθούν την αρχή της επαλληλίας, η οποία διατυπώνεται ως εξής : ΄Οταν σε ένα ελαστικό µέσο διαδίδονται δυο ή περισσότερα κύµατα η αποµάκρυνση ενός σωµατιδίου του µέσου από την ϑέση ισορροπίας του, είναι ίση µε τη συνισταµένη των αποµακρύνσεων που οφείλεται στα επιµέρους κύµατα.

y = y1 + y2 + ... Ουσιαστικά η αρχή της επαλληλίας µας λέει ότι :

ˆ κάθε κύµα διαδίδεται ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα, διατηρώντας αναλλοίωτα τα χαρακτηριστικά του, δηλαδή κάθε κύµα διαδίδεται σαν να µην υπάρχουν τα άλλα κύµατα,

ˆ τα υλικά σηµεία του µέσου ταλαντώνονται εξαιτίας του κάθε κύµατος µε χαρακτηριστικά ανεξάρτητα της ταυτόχρονης διάδοσης των άλλων κυµάτων Προσοχή όµως :Η αρχή της επαλληλίας παραβιάζεται όταν τα κύµατα είναι τόσο ισχυρά, ώστε να µεταβάλλουν τις ιδιότητες του µέσου στο οποίο διαδίδονται. Στο παρακάτω σχήµα ϕαίνεται το αποτέλεσµα της ταυτόχρονης διάδοσης δύο παλµών κατά µήκος ενός σχοινιού, στο ίδιο επίπεδο µε αντίθετες κατευθύνσεις. όταν οι δύο παλµοί συναντώνται, τα µόρια του σχοινιού έχουν αποµάκρυνση ίση µε το αλγεβρικό άθροισµα των αποµακρύνσεων που ϑα είχαν αν οι δύο παλµοί διαδίδονταν ξεχωριστά.

Το αποτέλεσµα της ταυτόχρονης διάδοσης δύο ή περισσοτέρων κυµάτων στην ίδια περιοχή ενός ελαστικού µέσου ονοµάζεται συµβολή. 63


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

2.4.1

Σύγχρονες και Σύµφωνες πηγές κυµάτων

∆ύο πηγές κυµάτων ονοµάζονται σύµφωνες πηγές, όταν οι ταλαντώσεις τους έχουν σταθερή διαφορά ϕάσης. ∆ηλαδή :

∆φ = στ αθ. Για να είναι η διαφορά ϕάσης δύο ταλαντώσεων σταθερή, πρέπει αυτές να έχουν την ίδια συχνότητα. Πράγµατι ας ϑεωρήσουµε δύο πηγές κυµάτων µε εξισώσεις :

y1 = Aηµ(ω1 t),

y2 = Aηµ(ω2 t + θ)

Η διαφορά ϕάσης των ταλαντώσεων των δύο πηγών ϑα είναι :

∆φ = (ω2 t + θ) − ω1 t = (ω2 − ω1 )t + θ Για να είναι οι δύο πηγές σύµφωνες, πρέπει η διαφορά ϕάσης να είναι σταθερή και ανεξάρτητη του χρόνου, αυτό συµβαίνει µόνο όταν είναι : ω2 − ω1 = 0 ⇒ ω2 =

ω1 ⇒ f2 = f1 ΄Οταν η σταθερή διαφορά ϕάσης των δύο σύµφωνων πηγών είναι ίση µε µηδέν (∆φ = 0), τότε οι δύο πηγές ονοµάζονται σύγχρονες πηγές. Οι σύγχρονες πηγές δηµιουργούν ταυτόχρονα µέγιστα και ελάχιστα. Μόνον τα αρµονικά κύµατα που προέρχονται από δυο σύµφωνες ή σύγχρονες πηγές κυµάτων παρέχουν ϕαινόµενα συµβολής. Συµβολή δύο κυµάτων στην επιφάνεια υγρού για σύγχρονες πηγές Στην ήρεµη επιφάνεια ενός υγρού πηγές Π1 και Π2 εκπέµπουν αρµονικά κύµατα πλάτους Α, περιόδου Τ και µήκους κύµατος λ. Θεωρούµε ένα σηµείο Σ που απέχει αποστάσεις r1 και r2 από τις πηγές Π1 και Π2 αντίστοιχα.

Η αποµάκρυνση του σηµείου Σ από την ϑέση ισορροπίας του, που οφείλεται σε κάθε κύµα ξεχωριστά υπολογίζεται αντίστοιχα για κάθε κύµα από τις εξισώσεις :

 y1 = Aηµ2π 64

t r1 − T λ



 και y2 = Aηµ2π

t r2 − T λ




Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Το υλικό σηµείο Σ µετά και την άφιξη του δεύτερου κύµατος ϑα εκτελεί σύνθετη ταλάντωση Α είδους µε διαφορά ϕάσης των επιµέρους ταλαντώσεων ίση µε :

2π (r1 − r2 ) λ

∆φ =

(2.15)

Σύµφωνα µε την αρχή της επαλληλίας που αναπτύξαµε παραπάνω, το σηµείο Σ σε κάθε χρονική στιγµή µετά την συµβολή των δύο κυµάτων ϑα έχει αποµάκρυνση από την ϑέση ισορροπίας ίση µε το αλγεβρικό άθροισµα των επιµέρους αποµακρύνσεων y = y1 + y2 . ∆ηλαδή :

 y = Aηµ2π

r1 t − T λ



 + Aηµ2π

t r2 − T λ



µε την ϐοήθεια της τριγωνοµετρίας προκύπτει :



r1 − r2 y = 2Aσυν 2π · 2λ



 ηµ2π

t r1 + r2 − T 2λ

 (2.16)

Από την µορφή της εξίσωσης (2.16) προκύπτει ότι η κίνηση του σηµείου Σ είναι µια απλή αρµονική ταλάντωση µε πλάτος :



r1 − r2 |A | = 2A|συν 2π · 2λ 0

 |

(2.17)

και ϕάση

 φ = 2π

t r1 + r2 − T 2λ

 (2.18)

Από την σχέση (2.17) προκύπτει ότι το πλάτος της ταλάντωσης δεν είναι ίδιο για όλα τα υλικά σηµεία της επιφάνειας του νερού αλλά εξαρτάται από τη ϑέση του σηµείου σε σχέση µε τις δύο πηγές των κυµάτων. Κάθε υλικό σηµείο του µέσου στο οποίο συµβάλουν τα δυο κύµατα ϑα εκτελεί ταλάντωση µε περίοδο ίδια µε των κυµατικών πηγών και µε πλάτος Α΄ που ϑα παίρνει τιµές από 0 έως και 2Α. ∆ιερεύνηση της σχέσης του πλάτους α. Το πλάτος ΄Α΄ γίνεται µέγιστο, δηλαδή Α΄=2Α, όταν είναι :



r1 − r2 |συν 2π · 2λ





r1 − r2 | = 1 ⇒ συν 2π · 2λ

 = ±1 ⇒ 2π ·

|r1 − r2 | = Nπ 2λ

΄Αρα προκύπτει ότι για όλα τα σηµεία της επιφάνειας του υγρού που η διαφορά των αποστάσεων τους από τις πηγές των κυµάτων είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του µήκους κύµατος λ, εκτελούν ταλάντωση µε µέγιστο πλάτος 2Α. Συνθήκη ενίσχυσης |r1 − r2 | = N λ, N = 0, 1, 2, ... (2.19) Το παραπάνω αποτέλεσµα είναι προφανές αν σκεφτούµε ότι οι επιµέρους ταλαντώσεις που εκτελεί το σηµείο Σ ϐρίσκονται σε συµφωνία ϕάσης (∆φ = 2N π ) 65


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ϐ. Το πλάτος Α΄ γίνεται µηδενικό, δηλαδή Α΄=0 όταν είναι :

  |r1 − r2 | π r1 − r2 = 0 ⇒ 2π · = (2N + 1) συν 2π · 2λ 2λ 2 ΄Αρα προκύπτει ότι για όλα τα σηµεία της επιφάνειας του υγρού που η διαφορά των αποστάσεων από τις δύο πηγές των κυµάτων είναι περιττό πολλαπλάσιο του µισού µήκους κύµατος λ2 παραµένουν συνεχώς ακίνητα.Συνθήκη απόσβεσης

λ |r1 − r2 | = (2N + 1) , 2

N = 0, 1, 2, ...

(2.20)

Το παραπάνω αποτέλεσµα είναι προφανές αν σκεφτούµε ότι οι επιµέρους ταλαν-

π 2

τώσεις που εκτελεί το σηµείο Σ ϐρίσκονται σε αντίθεση ϕάσης (∆φ = (2N + 1) ) Ο γεωµετρικός τόπος των σηµείων του υγρού για τα οποία ισχύει r1 − r2 = σταθ. είναι µια υπερβολή. Εποµένως τα σηµεία στα οποία έχουµε ενίσχυση και τα σηµεία στα οποία έχουµε απόσβεση ϐρίσκονται πάνω σε υπερβολές. Το σύνολο των υπερβολών αυτών χαρακτηρίζεται µε το όνοµα κροσσοί συµβολής.

ˆ Κάθε υπερβολή ενισχυτικής συµβολής (συνεχείς γραµµές) χαρακτηρίζεται από µια µοναδική τιµή Ν στην συνθήκη ενίσχυσης (2.19). Τα σωµατίδια που ϐρίσκονται πάνω σε αυτές τις υπερβολές ταλαντώνονται µε µέγιστο πλάτος (Α΄=2Α). 66


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

ˆ Κάθε υπερβολή αποσβεστικής συµβολής (διακεκοµµένες γραµµές)χαρακτηρίζεται επίσης από µια τιµή του Ν. Τα υλικά σηµεία που ϐρίσκονται πάνω σε αυτές τις υπερβολές παραµένουν συνεχώς ακίνητα (Α΄=0).

ˆ Τα υλικά σηµεία της επιφάνειας του υγρού που δεν ϐρίσκονται πάνω σε κάποια υπερβολή, έχουν πλάτος ταλάντωσης που παίρνει τιµές 0 < A0 < 2A 1η Παρατήρηση : Αν οι δύο πηγές Π1 και Π2 , έχουν διαφορετικά πλάτη ταλάντωσης A1 και A2 , τότε το πλάτος Α΄ της συνισταµένης ταλάντωσης στο σηµείο Σ δεν µπορεί να υπολογιστεί από την σχέση (1.64), αλλά από τη σχέση : 0

A =

q

A21 + A22 + 2A1 A2 συν∆φ

(2.21)

|r −r |

όπου ∆φ = 2π 1 λ 2 η διαφορά ϕάσης των ταλαντώσεων που προκαλούνται στο σηµείο Μ από τα δύο κύµατα. 2η Παρατήρηση :Πρέπει να σηµειωθεί ότι η παραπάνω µελέτη της συµβολής αφοϱούσε δύο κύµατα οι πήγες των οποίων έχουν κάθε στιγµή ίδια ϕάση. Συµβολή όµως συµβαίνει σε κάθε περίπτωση όπου δύο κύµατα διαδίδονται στο ίδιο µέσο , ανεξάρτητα αν προέρχονται από συµφασικές πηγές ή όχι. 3η Παρατήρηση :Στην περίπτωση της συµβολής για Σύµφωνες πηγές τα συµπεϱάσµατα έχουν µικρές διαφοροποιήσεις αφού ϑα πρέπει να λάβουµε υπόψη και την διαφορά ϕάσης (φ0 ) των πηγών. Οι αρχή της επαλληλίας ϑα γράφεται ως :

 y = y1 + y2 = Aηµ2π

r1 t − T λ



 + Aηµ2π

t r2 φ0 − + T λ 2π

 (2.22)

Με την χρήση της κατάλληλης τριγωνοµετρικής ταυτότητας εύκολα µπορούµε να εξάγουµε την σχέση για το πλάτος και τις συνθήκες ενίσχυσης και απόσβεσης. Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 10.1 - 10.35, 10.46, 10.48, 10.49, 10.51, 10.55, 10.57, 10.58, 10.60, 10.61, 10.62, 10.65, 10.68 - 10.75, 10.77, 10.78, 10.80, 10.82, 10.83, 10.84

2.5

Στάσιµα Κύµατα

Θεωρούµε δυο κύµατα της ίδιας συχνότητας και του ίδιου πλάτους, τα οποία διαδίδονται µε την ίδια ταχύτητα προς αντίθετες κατευθύνσεις µέσα στο ίδιο ελαστικό µέσο, όπως ϕαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Από την συµβολή των δύο κυµάτων προκύπτει µια ταλάντωση των σωµατιδίων του ελαστικού µέσου η οποία ονοµάζεται Στάσιµο κύµα. Στάσιµο Κύµα ονοµάζεται το αποτέλεσµα της συµβολής δύο κυµάτων της ίδιας συχνότητας και του ίδιου πλάτους, που διαδίδονται στο ίδιο µέσο µε την ίδια ταχύτητα και προς αντίθετες κατευθύνσεις. 67


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Σχήµα 2.9: ∆ηµιουργία στάσιµου κύµατος σε χορδή.

΄Ενα στάσιµο κύµα µπορεί να δηµιουργηθεί από τη συµβολή ενός κύµατος και του κύµατος που προκύπτει από την ανάκλαση του πάνω σε ακίνητο εµπόδιο. Ας υποθέσουµε για παράδειγµα ότι κρατάµε στο χέρι µας το άκρο ενός σχοινιού, του οποίου το άλλο άκρο είναι στερεωµένο σε ακλόνητο σηµείο. Αν κινήσουµε το άκρο του σχοινιού απότοµα προς τα πάνω και το επαναφέρουµε στην αρχική ϑέση, τότε δηµιουργείται ένας κυµατικός παλµός που διαδίδεται κατά µήκος του σχοινιού. όταν ο παλµός ϕθάνει στο ακλόνητο άκρο του σχοινιού, ασκεί στο σηµείο στήριξης µιας δύναµη, η οποία έχει ϕορά προς τα πάνω. Λόγω του 3ου Νόµου του Νεύτωνα, το σηµείο στήριξης ϑα ασκήσει στο σχοινί µια ίση και αντίθετη δύναµη. Αποτέλεσµα αυτής της δύναµης ϑα είναι και η δηµιουργία ενός κυµατικού παλµού αντίστροφου του πρώτου, που ϑα διαδίδεται από το σηµείο στήριξης προς το χέρι µας. Τα δυο κύµατα που ϑα διαδίδονται ταυτόχρονα στο σχοινί ϑα συµβάλλουν δηµιουργώντας ένα στάσιµο κύµα. Παρατηρώντας το σχοινί δε διάφορες χρονικές στιγµές προκύπτει ότι :

ˆ Υπάρχουν σηµεία του σχοινιού που παραµένουν διαρκώς ακίνητα. Τα σηµεία αυτά ονοµάζονται δεσµοί του στάσιµου κύµατος

ˆ Υπάρχουν σηµεία του σχοινιού που ταλαντώνονται µε µέγιστο πλάτος. Τα σηµεία αυτά ϐρίσκονται στο µέσο της απόστασης µεταξύ δυο διαδοχικών δεσµών και ονοµάζονται Κοιλίες του στάσιµου κύµατος.

ˆ όλα τα σηµεία του σχοινιού εκτός από τους δεσµούς εκτελούν ταλάντωση µε την ίδια συχνότητα και διαφορετικό πλάτος.

2.5.1

Η εξίσωση του Στάσιµου Κύµατος

Θεωρούµε δυο αρµονικά κύµατα του ίδιου πλάτους και της ίδιας συχνότητας, τα οποία διαδίδονται στο ίδιο µέσο και έχουν την ίδια διεύθυνση και αντίθετη ϕορά. Αν x0 x είναι ο κοινός άξονας διάδοσης τους, Ϲητάµε το αποτέλεσµα της συµβολής τους και είναι προφανές ότι ϑα χρησιµοποιήσουµε την ¨Αρχή της Επαλληλίας¨. Επιλέγουµε ως αρχή µέτρησης των αποστάσεων το σηµείο Ο (x = 0) του άξονα, στο οποίο ϑεωρούµε ότι οι αποµακρύνσεις που προκαλούνται από τα δύο κύµατα έχουν t, οπότε η συνολική αποµάκρυνση τις ίδιες εξισώσεις αποµάκρυνσης, y1 = y2 = Aηµ 2π T 68


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου στο σηµείο Ο ϑα δίνεται από την εξίσωση :

y = y1 + y2 ⇒ y = 2Aηµ

2π t T

Επιλέγουµε επίσης ως χρονική στιγµή t = 0 την στιγµή κατά την οποία το σηµείο Ο διέρχεται από την ϑέση ισορροπίας του µε ϑετική ταχύτητα ( δηλ φ = 0. Οι εξισώσεις των δυο επιµέρους κυµάτων που έχουν αντίθετη ϕορά ϑα είναι :

 y1 = Aηµ2π

x t + T λ



 και y2 = Aηµ2π

t x − T λ



Σύµφωνα µε την Αρχή της Επαλληλίας η αποµάκρυνση ενός τυχαίου σηµείου Μ που απέχει απόσταση x από το Ο την χρονική στιγµή t ϑα είναι :

 y = y1 + y2 = Aηµ2π

x t + T λ



 + Aηµ2π

t x − T λ



ή

x y = 2Aσυν 2π ηµ λ 



2π t T

 (2.23)

Η εξίσωση (2.23) ονοµάζεται Εξίσωση Στάσιµου Κύµατος. Παρατηρούµε ότι ο όρος :

 x A0 = 2Aσυν 2π λ

(2.24)

εξαρτάται µόνο από την ϑέση x του σηµείου και είναι ανεξάρτητος του χρόνου. Από τις σχέσεις (2.23), (2.24) παίρνουµε την εξίσωση : 0

y = A ηµ



 2π t T

(2.25)

από την οποία προκύπτει ότι :

ˆ Κάθε σηµείο του µέσου εκτελεί µια απλή αρµονική ταλάντωση που έχει την ίδια συχνότητα µε αυτή των δύο κυµάτων

ˆ Το πλάτος της ταλάντωσης |A0 | δεν είναι το ίδιο για όλα τα σηµεία του µέσου, αλλά εξαρτάται από τη ϑέση του κάθε σηµείου.

ˆ Η ταχύτητα και η επιτάχυνση της ταλάντωσης ενός σηµείου του ελαστικού µέσου, κατά µήκος του οποίου δηµιουργείται στάσιµο κύµα σε συνάρτηση µε τον χρόνο, ϑα δίνονται από τις εξισώσεις : 0

v = ωA συν



 2π t T

2

0

α = −ω A ηµ



 2π t T 69


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ∆ιερεύνηση της σχέσης του πλάτους : α. Ο όρος Α΄ γίνεται µέγιστος, δηλαδή A0 = ±2A, όταν είναι :

2Aσυν2π

x x x = ±A ⇒ συν2π = ±1 ⇒ 2π = k · π λ λ λ

λ xκ = k · , 2

k = 0, 1, 2, ...

(2.26)

΄Αρα τα σηµεία του ϑετικού ηµιάξονα που απέχουν από το σηµείο - κοιλία Ο, που λαµβάνεται ως η αρχή µέτρησης των αποστάσεων, αποστάσεις 0, λ2 , 2 λ2 , ..., k λ2 εκτελούν ταλάντωση µε µέγιστο πλάτος Α΄=2Α. Τα σηµεία αυτά είναι οι κοιλίες του στάσιµου κύµατος. Η απόσταση µεταξύ δυο διαδοχικών κοιλιών του στάσιµου κύµατος στη διεύθυνση του άξονα x είναι λ2 . ϐ. Το πλάτος |A0 | γίνεται µηδενικό, δηλαδή Α΄=0, όταν είναι :

2Aσυν2π

x x x π = 0 ⇒ συν2π = 0 ⇒ 2π = (2k + 1) · λ λ λ 2

λ x∆ = (2k + 1) · , 4

k = 0, 1, 2, ...

(2.27)

΄Αρα τα σηµεία του ϑετικού ηµιάξονα που απέχουν από το σηµείο - κοιλία Ο, που λαµβάνεται ως αρχή µέτρησης των αποστάσεων, αποστάσεις λ4 , 3 λ4 .5 λ4 , (2k + 1) λ4 , παραµένουν συνεχώς ακίνητα. Τα σηµεία αυτά είναι οι δεσµοί του στάσιµου κύµατος. Η απόσταση µεταξύ δύο διαδοχικών δεσµών του στάσιµου κύµατος είναι λ2 . Η απόσταση µεταξύ ενός δεσµού και της πλησιέστερης κοιλίας µπορεί εύκολα να υπολογιστεί από την διαφορά των ϑέσεων

d = |x∆ − xκ | = |k ·

λ λ λ − (2k + 1) · | = 2 4 4

Φάση και ∆ιαφορά ϕάσης Μεταξύ του σηµείου 0 και του πρώτου ∆εσµού του στάσιµου κύµατος, όλα τα υλικά σηµεία διέρχονται ταυτόχρονα από τη ϑέση ισορροπίας τους και ϕτάνουν ταυτόχρονα στις ϑέσεις της µέγιστης αποµάκρυνσης τους. ∆ηλαδή έχουν την ίδια ϕάση φ = ωt και εκτελούν ταλάντωση µε εξίσωση y = A0 ηµ(ωt). Τα υλικά σηµεία µεταξύ δύο διαδοχικών δεσµών έχουν σε κάθε ��ρονική στιγµή την ίδια ϕάση. 70


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Σχήµα 2.10: Στιγµιότυπο στάσιµου κύµατος σε διάφορες χρονικές στιγµές.

Τα υλικά σηµεία που ϐρίσκονται εκατέρωθεν ενός δεσµού και σε απόσταση µικρότερη του λ2 , κάθε χρονική στιγµή κινούνται µε αντίθετες ϕορές, δηλαδή, ενώ περνούν ταυτόχρονα από την ϑέση ισορροπίας τους, κινούνται µε αντίθετης κατεύθυνσης ταχύτητες. ΄Αρα ϐρίσκονται σε αντίθεση ϕάσης και έχουν διαφορά ϕάσης ∆φ = πrad. ΄Ετσι τα σηµεία που ϐρίσκονται δεξιά του πρώτου δεσµού έχουν ϕάση φ− = ωt + π και εκτελούν ταλάντωση µε εξίσωση y = A0 ηµ(ωt + π). Τα υλικά σηµεία εκατέρωθεν ενός δεσµού ϐρίσκονται σε κάθε χρονική στιγµή σε αντίθεση ϕάσης. Στάσιµα Κύµατα σε χορδή Στάσιµα κύµατα µπορούν να δηµιουργηθούν και σε ένα µέσο, του οποίου τα δύο άκρα είναι ακίνητα, όπως συµβαίνει για παράδειγµα στην χορδή µιας κιθάρας. Επειδή τα ακίνητα άκρα της χορδής είναι δεσµοί του στάσιµου κύµατος, πρέπει το µήκος L της χορδής και το µήκος κύµατος λ να συνδέονται µε τη σχέση :

λ L=κ , 2

κ = 1, 2, ..

Προσοχή γιατί σε αυτή την περίπτωση δεν ισχύει η εξίσωση του στάσιµου κύµατος που περιγράψαµε παραπάνω, µε την υπόθεση ότι το Ο είναι κοιλία ΄Οταν η χορδή είναι δεµένη στο ένα άκρο της, τότε το ελεύθερο άκρο της ϑα είναι συνεχώς κοιλία και το δεµένο δεσµός και αντίστοιχα για το µήκος της ϑα πρέπει να ισχύει η συνθήκη :

L=

λ λ +κ , 4 2

κ = 1, 2, ..

Παρατήρηση Η διαταραχή που περιγράψαµε δεν αποτελεί κύµα, αφού η ενέργεια δεν διαδίδεται αλλά παραµένει εντοπισµένη µεταξύ των δεσµών. Για το λόγο αυτό έχει δοθεί στη διαταραχή αυτή το όνοµα ¨στάσιµο κύµα¨. Επίσης, τα υλικά σηµεία του µέσου δεν εκτελούν διαδοχικά την ίδια κίνηση όπως σε ένα οδεύον κύµα, αλλά ταλαντώνονται (µε εξαίρεση τους δεσµούς) µε την ίδια συχνότητα και διαφορετικό πλάτος. Επίσης από τα 71


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου παραπάνω είναι προφανές ότι όλα τα σηµεία του ελαστικού µέσου διέρχονται από την ϑέση ισορροπίας τους κάθε ∆t = T2 . Τρέχον κύµα ΄Ολα τα υλικά σηµεία του µέσου ταλαντώνονται µε το ίδιο πλάτος ΄Εχουµε µεταφορά ενέργειας ΄Εχει ορισµένη διεύθυνση διάδοσης ΄Ολα τα υλικά σηµεία του µέσου κάνουν ταλάντωση Τα υλικά σηµεία του µέσου έχουν διαφορετικές ϕάσεις την ίδια χρονική στιγµή

Τα υλικά σηµεία του µέσου περνούν από τη ϑέση ισορροπίας τους σε διαφορετικές χρονικές στιγµές

Στάσιµο Κύµα Το πλάτος ταλάντωσης των υλικών σηµείων του µέσου κυµαίνεται από µηδέν µέχρι και 2Α και εξαρτάται από τη ϑέση τους ∆εν έχουµε µεταφορά ενέργειας ∆εν έχει διεύθυνση διάδοσης Υπάρχουν σηµεία του µέσου που παραµένουν συνέχεια ακίνητα Τα υλικά σηµεία µεταξύ δύο διαδοχικών δεσµών έχουν την ίδια ϕάση. Τα υλικά σηµεία εκατέρωθεν ενός δεσµού σε απόσταση µικρότερη από λ2 από τον δεσµό έχουν διαφορά ϕάσης π Τα υλικά σηµεία του µέσου περνούν ταυτόχρονα από τη ϑέση ισορροπίας τους.

Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 11.1 - 11.36, 11.46 - 11.50, 11.52 - 11.59, 11.61, 11.63, 11.64, 1.66 - 11.69, 11.71, 11.72, 11.75 - 11.79, 11.81

2.6

Ηλεκτροµαγνητικά Κύµατα

Ηλεκτροµαγνητικό κύµα είναι η ταυτόχρονη διάδοση ενός ηλεκτρικού και ενός µαγνητικού πεδίου. Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα διαδίδονται στο κενό µε την ταχύτητα του ϕωτός. Σε όλα τα άλλα υλικά διαδίδονται µε µικρότερη ταχύτητα. Η ταχύτητα διάδοσης του ηλεκτροµαγνητικού κύµατος εξαρτάται από την ϕύση του µέσου διάδοσης. Για το κενό η ταχύτητα του είναι c = 3 · 108 m/s Μηχανισµός παραγωγής Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα δηµιουργούνται από µεταβαλλόµενα ηλεκτρικά και µαγνητικά πεδία. ΄Ενα σταθερό ηλεκτρικό πεδίο ή ένα σταθερό µαγνητικό πεδιο δεν παράγει ηλεκτροµαγνητικό κύµα. Αυτό σηµαίνει ότι ούτε τα ακίνητα ϕορτία, ούτε τα ϕορτία που κινούνται µε σταθερή ταχύτητα ( σταθερά ϱεύµατα) µπορούν να δηµιουργήσουν ηλεκτροµαγνητικό κύµα. ΄Οταν, όµως, έχουµε ηλεκτρικά ϕορτία που επιταχύνονται, τα µεταβαλλόµενα ηλεκτρικά και µαγνητικά πεδία που δηµιουργούν έχουν ως αποτέλεσµα την παραγωγή ηλεκτροµαγνητικού κύµατος. Εποµένως : Η αιτία δηµιουργίας ηλεκτροµαγνητικού κύµατος είναι η επιταχυνόµενη κίνηση των ηλεκτρικών ϕορτίων. 72


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Μια απλή συσκευή παραγωγής ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων είναι το ταλαντούµενο ηλεκτρικό δίπολο. Το ταλαντούµενο ηλεκτρικό δίπολο είναι µια συσκευή που αποτελείτε από δύο µεταλλικές ϱάβδους, οι οποίες συνδέονται µε πηγή εναλλασσόµενης τάσης, όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Στην περίπτωση αυτή οι ϱάβδοι ϕορτίζονται εναλλάξ µε ϑετικά και αρνητικά ϕορτία που µεταβάλλονται ηµιτονοειδώς µε τον χρόνο. Η κίνηση αυτή των ϕορτίων αποτελεί εναλλασσόµενο ϱεύµα. Τα ταλαντούµενα ηλεκτρικά δίπολα αποτελούν κοινή µέθοδο παραγωγής ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων στους ϱαδιοφωνικούς και τηλεοπτικούς σταθµούς. Από τις εξισώσεις του M axwell για το Ηλεκτρικό και το Μαγνητικό πεδίο προκύπτει ότι :

ˆ Το ηλεκτροµαγνητικό κύµα είναι εγκάρσιο, µε τα διανύσµατα του ηλεκτρικού και του µαγνητικού πεδίου να είναι κάθετα µεταξύ τους και κάθετα στην διεύθυνση διάδοσης του κύµατος.

ˆ Κάθε στιγµή ο λόγος των µέτρων των εντάσεων του ηλεκτρικού και του µαγνητικού πεδίου είναι ίσος µε την ταχύτητα διάδοσης υ ( για το κενό c)

E =υ B

(2.28)

ˆ Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα, όπως και τα µηχανικά, υπακούουν στην αρχή της επαλληλίας. Οι εξισώσεις που περιγράφουν το ηλεκτρικό και το µαγνητικό πεδίο ενός αρµονικού ηλεκτροµαγνητικού κύµατος που διαδίδεται κατά τη διεύθυνση x είναι :

 E = Emax ηµ2π  B = Bmax ηµ2π

t x − T λ



t x − T λ



(2.29)

(2.30)

όπου ϐέβαια Emax , Bmax είναι οι µέγιστες τιµές της έντασης του Ηλεκτρικού και Μαγνητικού πεδίου αντίστοιχα. Το στιγµιότυπο ενός τέτοιου αρµονικού κύµατος ϕαίνεται στο σχήµα :

2.6.1

Το ϕάσµα της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας

Ηλεκτροµαγνητικά κύµατα δεν παράγονται µόνο από ταλαντούµενα ηλεκτρικά δίπολα. Σήµερα γνωρίζουµε ότι συνδέονται µε ένα πλήθος ϕυσικών ϕαινοµένων, όπως αποδιεγέρσεις ατόµων, πυρηνικές διασπάσεις κλπ. Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα 73


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Σχήµα 2.11: Στιγµιότυπο επιπέδου ηλεκτροµαγνητικού κύµατος, διαδιδόµενου κατά ~ είναι παράλληλες προς τον άξονα y και την διεύθυνση του άξονα x. Οι γραµµές του B ~ οι γραµµές του E είναι παράλληλες προς τον άξονα z καλύπτουν ένα εύρος µηκών κύµατος και συχνοτήτων που ανάλογα µε τον µηχανισµό παραγωγής τους. Παρά τις τεράστιες διαφορές στην παραγωγή τους, όλα τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα έχουν τα γενικά χαρακτηριστικά που περιγράψαµε. Εφόσον όλα διαδίδονται στο κενό µε την ταχύτητα c η συχνότητα τους και το µήκος κύµατος συνδέονται µε τη σχέση :

c=λ·f που είναι η γνωστή µας ¨θεµελιώδης εξίσωση της κυµατικής¨ γραµµένη για την διάδοση ενός ηλεκτροµαγνητικού κύµατος στο κενό. Παρακάτω ακολουθεί µια σύντοµη περιγραφή των διαφόρων περιοχών του ϕάσµατος της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας, κατά σειρά ελαττούµενου µήκους κύµατος. Βέβαια δεν υπάρχει σαφής διαχωρισµός του κάθε τµήµατος του ϕάσµατος από τα υπόλοιπα.

ˆ Ραδιοκύµατα. Είναι τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα µε µήκος κύµατος από 105 m έως µερικά εκατοστά. ∆ηµιουργούνται από ηλεκτρονικά κυκλώµατα, όπως τα κυκλώµατα L−C και χρησιµοποιούνται στην ϱαδιοφωνία και την τηλεόραση. ˆ Μικροκύµατα. Το µήκος κύµατος τους εκτείνεται από 30cm έως 1mm περίπου. Παράγονται από ηλεκτρονικά κυκλώµατα. Μικροκύµατα χρησιµοποιούν όχι µόνο οι ϕούρνοι, αλλά και τα ϱαντάρ.

ˆ Υπέρυθρα κύµατα. Καλύπτουν την περιοχή από 1 mm έως 7 · 10−5 m περίπου. Τα κύµατα αυτά εκπέµπονται από τα ϑερµά σώµατα και απορροφώνται εύκολα από τα περισσότερα υλικά. Η υπέρυθρη ακτινοβολία που απορροφάται από ένα σώµα, αυξάνει το πλάτος της ταλάντωσης των σωµατιδίων από τα οποία αποτελείται, αυξάνοντας έτσι την ϑερµοκρασία του. 74


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

ˆ Το ορατό ϕως. Είναι το µέρος εκείνο της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας που ανιχνεύει ο ανθρώπινος οφθαλµός. Το µήκος κύµατος του ορατού ϕωτός κυµαίνεται από 400nm - 700nm ( 1nm = 10−9 m). Το ορατό ϕως παράγεται από την ανακατανοµή των ηλεκτρονίων στα άτοµα και στα µόρια. Κάθε υποπεριοχή του ορατού ϕάσµατος προκαλεί στον άνθρωπο την αίσθηση κάποιου συγκεκριµένου χρώµατος. Τα µήκη κύµατος των διάφορων χρωµάτων είναι : 700 630 590 560 480 440

έως έως έως έως έως έως

630 590 560 480 440 400

nm nm nm nm nm nm

Ερυθρό Πορτοκαλί Κίτρινο Πράσινο Κυανό Ιώδες

ˆ Υπεριώδης ακτινοβολία. Η ακτινοβολία αυτή καλύπτει τα µήκη κύµατος από 3, 8 · 10−7 m έως 6 · 10−8 m περίπου. Ο ήλιος είναι ισχυρή πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας. Οι υπεριώδεις ακτίνες είναι υπεύθυνες για το ¨µαύρισµα¨ , όταν κάνουµε ηλιοθεραπεία το καλοκαίρι. Μεγάλες δόσεις ϐλάπτουν το ανθρώπινο οργανισµό. Το µεγαλύτερο µέρος αυτής της ακτινοβολίας απορροφάται από τα άτοµα και τα µόρια της στρατόσφαιρας.

ˆ Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία µε µήκη κύµατος από 10−8 m έως 10−13 m περίπου. Η πιο κοινή αιτία παραγωγής ακτίνων Χ είναι η επιϐράδυνση ταχέως κινούµενων ηλεκτρονίων καθώς αυτά προσκρούουν σε µεταλλικό στόχο. Οι ακτίνες Χ χρησιµοποιούνται στην ιατρική, αλλά και στην µελέτη κρυσταλλικών δοµών.

ˆ Οι ακτίνες γ. Είναι ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία που εκπέµπεται από οϱισµένους ϱαδιενεργούς πυρήνες καθώς και σε αντιδράσεις πυρήνων και στοιχειωδών σωµατιδίων ή ακόµα και κατά τη διάσπαση στοιχειωδών σωµατιδίων. Τα µήκη κύµατος τους αρχίζουν από 10−10 m έως τα 10−14 m. Είναι πολύ διεισδυτικές και ϐλ��πτουν τους οργανισµούς που τις απορροφούν. Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 12.1 - 12.16, 12.19 - 12.26

2.7 2.7.1

Ανάκλαση - ∆ιάθλαση - Ολική Ανάκλαση Ανάκλαση του ϕωτός

΄Οταν ϕως που διαδίδεται σε ένα µέσο συναντήσει τη διαχωριστική επιφάνεια ανάµεσα στο µέσο αυτό και σε ένα άλλο, τότε ένα µέρος του επιστρέφει στο αρχικό µέσο. Το ϕαινόµενο αυτό ονοµάζεται ανάκλαση.Το ϕαινόµενο της ανάκλασης διακρίνεται α) σε ∆ιάχυση και ϐ) σε κατοπτρική ανάκλαση. 75


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Στη περίπτωση που οι ακτίνες της ϕωτεινής παράλληλης δέσµης συναντήσουν µια τραχιά επιφάνεια, τότε ανακλώνται προς διάφορες κατευθύνσεις και διασκορπίζονται στον γύρω χώρο. Η ανάκλαση αυτή, στην οποία οι ανακλώµενες ακτίνες δεν είναι παϱάλληλες, ονοµάζεται διάχυση. Εξαιτίας της διάχυσης γίνονται ορατά όλα τα σώµατα που ϐρίσκονται γύρω µας. Αν η επιφάνεια πάνω στην οποία προσπίπτει η δέσµη είναι λεία και στιλπνή (γυαλιστερή), τότε οι ανακλώµενες ακτίνες είναι παϱάλληλες µεταξύ τους. Η ανάκλαση αυτή ονοµάζεται κατοπτρική ανάκλαση. Στο εξής µε τον όρο ανάκλαση ϑα εννοούµε την κατοπτρική ανάκλαση. ΄Εστω ότι µια ϕωτεινή ακτίνα προσπίπτει υπό γωνία πάνω σε µια λεία επιφάνεια και ανακλάται, όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Η ακτίνα αυτή ονοµάζεται προσπίπτουσα ακτίνα και η ακτίνα που ανακλάται ονοµάζεται ανακλώµενη ακτίνα. Η γωνία ανάµεσα στην προσπίπτουσα ακτίνα και την κάθετο στην επιφάνεια πρόσπτωσης ονοµάζεται γωνία πρόσπτωσης (θπ ) και η γωνία ανάµεσα στην κάθετη στην επιφάνεια και την ανακλώµενη ακτίνα ονοµάζεται γωνία ανάκλασης (θα ). Πειραµατικά προκύπτουν οι ακόλουθοι νόµοι της ανάκλασης:

ˆ Η προσπίπτουσα ακτίνα, η ανακλώµενη ακτίνα και η κάθετη στην επιφάνεια στο σηµείο της πρόσπτωσης ϐρίσκονται στο ίδιο επίπεδο ( επίπεδο πρόσπτωσης)

ˆ Η γωνία ανάκλασης θα είναι ίση µε τη γωνία πρόσπτωσης θπ

θπ = θα

2.7.2

(2.31)

∆ιάθλαση του ϕωτός

΄Οταν µια ακτίνα µονοχρωµατικού ϕωτός που διαδίδεται σε ένα διαφανές µέσο συναντήσει τη διαχωριστική επιφάνεια ανάµεσα στο µέσο αυτό και σε ένα άλλο διαφανές µέσο, στο οποίο διαδίδεται µε διαφορετική ταχύτητα, τότε ένα µέρος του αρχικού ϕωτός ανακλάται και το υπόλοιπο µέρος περνάει στο δεύτερο µέσο, αλλάζοντας διεύθυνση. Το ϕαινόµενο αυτό ονοµάζεται διάθλαση. Εποµένως : ∆ιάθλαση του ϕωτός ονοµάζεται το ϕαινόµενο κατά το οποίο, όταν µια µονοχρωµατική ακτίνα συναντά τη διαχωριστική επιφάνεια δύο σοβαρών µέσων, περνάει από το πρώτο στο δεύτερο µέσο και αλλάζει διεύθυνση διάδοσης. Αιτία της διάθλασης είναι η διαφορετική ταχύτητα του ϕωτός στα δύο διαφανή µέσα. Η ακτίνα ϕωτός που περνάει στο δεύτερο µέσο διάδοσης ονοµάζεται διαθλώµενη ακτίνα. Η γωνία που σχηµατίζει η διεύθυνση της διαθλώµενης ακτίνας µε την κάθετη στην επιφάνεια στο σηµείο πρόσπτωσης ονοµάζεται γωνία διάθλασης (θδ ). 76


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ΄Οπως είναι γνωστό, η ταχύτητα του ϕωτός σε όλα τα διαφανή µέσα είναι µικρότερη από την ταχύτητα του στο κενό. Ο λόγος της ταχύτητας c του ϕωτός στο κενό προς την ταχύτητα του υ σε ένα διαφανές υλικό ονοµάζεται δείκτης διάθλασης n του διαφανούς υλικού.∆ηλαδή :

n=

c υ

Ο δείκτης διάθλασης είναι καθαρός αριθµός και για το κενό είναι ίσος εξ ορισµού µε την µονάδα (n = 1) αφού για το κενό υ = c. Για όλα τα διαφανή υλικά µέσα ο δείκτης διάθλασης είναι µεγαλύτερος της µονάδας (n > 1) αφού c > υ πάντα. Πειραµατικά προκύπτουν οι ακόλουθοι νόµοι της διάθλασης :

ˆ Η προσπίπτουσα ακτίνα, η διαθλώµενη ακτίνα και η κάθετη στη διαχωριστική επιϕάνεια των δύο διαφανών µέσων, στο σηµείο πρόπτωσης της ακτίνας, ϐρίσκονται στο ίδιο επίπεδο.

ˆ ΄Οταν το ϕως είναι µονοχρωµατικό, ο λόγος του ηµιτόνου της γωνίας πρόπτωσης προς το ηµίτονο της γωνίας διάθλασης είναι ίσος µε τον αντίστροφο λόγο των δεικτών διάθλασης των δύο µέσων.∆ηλαδή :

n2 ηµθπ = ⇒ n1 ηµθπ = n2 ηµθδ ηµθδ n1

(2.32)

Η παραπάνω σχέση ονοµάζεται Νόµος του Snell (Σνέλ) Συµπεράσµατα από το νόµο του Snell α) ΄Οταν µια µονοχρωµατική ακτίνα ϕωτός διέρχεται από ένα αραιό διαφανές µέσο 1 (n1 ) σε ένα πυκνό διαφανές µέσο 2 (n2 > n1 ), στο οποίο η ταχύτητα του ϕωτός είναι µικρότερη, τότε η γωνία διάθλασης είναι µικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης (θδ < θπ ). Απόδειξη :

n2 ηµθπ = > 1 ⇒ ηµθπ > ηµθδ ⇒ θπ > θδ ηµθδ n1 (ϐ) ΄Οταν µια µονοχρωµατική δέσµη ϕωτός διέρχεται από ένα πυκνό µέσο 2 (n2 ) σε ένα αραιό µέσο 1 (n1 < n2 ), τότε η γωνία διάθλασης είναι µεγαλύτερη από την γωνία πρόσπτωσης (θδ > θπ ). Απόδειξη :

n2 ηµθπ = < 1 ⇒ ηµθπ < ηµθδ ⇒ θπ < θδ ηµθδ n1 (γ) ΄Οταν µια µονοχρωµατική ακτίνα προσπίπτει κάθετα στην διαχωριστική επιϕάνεια δύο διαφανών µέσων, τότε η ακτίνα δεν αλλάζει διεύθυνση. Απόδειξη :

ηµθπ n2 = ⇒ n1 ηµθπ = n2 ηµθδ ⇒ n1 ηµ 0 = n2 ηµθδ ⇒ ηµθδ = 0 ⇒ θδ = 0 ηµθδ n1 77


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Πώς µεταβάλλονται τα µεγέθη της Θεµελιώδους εξίσωσης της Κυµατικής, όταν µονοχρωµατικό ϕως διέρχεται από ένα οπτικό µέσο σε ένα άλλο · ΄Οταν µονοχρωµατικό ϕως διέρχεται από ένα διαφανές µέσο µε δείκτη διάθλασης n1 σε κάποιο άλλο διαφανές µέσο µε δείκτη διάθλασης n2 τότε :

ˆ Η συχνότητα του ϕωτός f δεν αλλάζει, γιατί το ϕως είναι κύµα και ο αριθµός των κυµάτων που ϕτάνουν στην διαχωριστική επιφάνεια στην µονάδα του χρόνου πρέπει να είναι ίσος µε τον αριθµό των κυµάτων που στον ίδιο χρόνο διέρχονται από αυτή. Η πηγή καθορίζει τον αριθµό των κυµάτων που παράγονται ανά µονάδα χρόνου.

ˆ Η ταχύτητα διάδοσης των κυµάτων υ είναι διαφορετική στα δύο µέσα διάδοσης και εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης υ = nc . ΄Οσο µεγαλύτερος είναι ο δείκτης διάθλασης, τόσο µικρότερη είναι η ταχύτητα διάδοσης.

ˆ Αφού η συχνότητα f του ϕωτός µένει σταθερή και η ταχύτητα διάδοσης είναι διαφορετική στα δύο µέσα, από την σχέση υ = λf προκύπτει ότι το µήκος κύµατος ϑα είναι επίσης διαφορετικό στα δύο µέσα. ΄Οταν µια µονοχρωµατική ακτινοβολία µεταβαίνει από το κενό ( ή τον αέρα) σε κάποιο άλλο διαφανές µέσο, το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας µειώνεται. Για το κενό c = λ0 f , µε το λ0 να είναι το µήκος κύµατος στο κενό. Για ένα διαφανές µέσο υ = λf , µε το λ να είναι το µήκος κύµατος στο µέσο αυτό. ∆ιαιρώντας τις παραπάνω σχέσεις κατά µέλη προκύπτει.

c λ0 λ0 λ0 = ⇒n= ⇒λ= υ λ λ n Και αφού πάντα n > 1 τότε λ0 > λ. 78

(2.33)


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

2.7.3

Ολική Εσωτερική Ανάκλαση

Το παρακάτω σχήµα δείχνει µερικές ακτίνες µονοχρωµατικού ϕωτός που εκπέµπονται από µια σηµειακή πηγή, η οποία ϐρίσκεται µέσα σε ένα διαφανές µέσο a µε δείκτη διάθλασης na . Οι ακτίνες προσπίπτουν στην διαχωριστική επιφάνεια που χωρίζει το µέσο α µε ένα δεύτερο µέσο b µε δείκτη διάθλασης nb < na .

Από τον Νόµο του Snell προκύπτει ότι :

ηµθa nb = ηµθb na Επειδή όµως nb < na προκύπτει ότι θb > θa . Σε αυτή την περίπτωση η γωνία διάθλασης θb είναι πάντα µεγαλύτερη από την γωνία πρόσπτωσης θa Η γωνία θa για την οποία η διαθλώµενη ακτίνα είναι παράλληλη προς την διαχωριστική επιφάνεια των δυο µέσων ονοµάζεται Κρίσιµη ( ή οριακή) γωνία και συµβολίζεται µε θcrit . Για να υπολογίσουµε την Κρίσιµη γωνία χρησιµοποιούµε τον Νόµο του Snell για

θb = 90o ηµθcrit nb nb = ⇒ ηµθcrit = o ηµ90 na na ΄Οταν η γωνία πρόσπτωσης γίνει µεγαλύτερη από την κρίσιµη γωνία, δεν υπάρχει διαθλώµενη ακτίνα και ολόκληρη η προσπίπτουσα ακτίνα ανακλάται πάνω στην 79


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου διαχωριστική επιφάνεια και ¨παγιδεύεται¨ στο µέσο a. Το ϕαινόµενο αυτό ονοµάζεται Ολική εσωτερική ανάκλαση. Ολική εσωτερική ανάκλαση του ϕωτός ονοµάζουµε το ϕαινόµενο κατά το οποίο, όταν µια ϕωτεινή ακτίνα, προερχόµενη από το µέσο µε το µεγαλύτερο δείκτη διάθλασης, πέφτει πάνω σε µια διαχωριστική επιφάνεια δύο διαφανών µέσων µε γωνία µεγαλύτερη της κρίσιµης γωνίας, ολόκληρη η ακτίνα ανακλάται πάνω στη διαχωριστική επιφάνεια. Προσοχή ! Το ϕαινόµενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης συµβαίνει µόνο όταν ϕως µεταβαίνει από ένα πυκνό διαφανές µέσο σε ένα αραιό διαφανές µέσο και µόνο όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι µεγαλύτερη της κρίσιµης γωνίας. ΄Οταν το ϕως µεταβαίνει από ένα διαφανές µέσο a µε δείκτη διάθλασης na = n στο κενό ( ή στον αέρα) nb = 1 τότε η κρίσιµη γωνία για το διαφανές µέσο a ϑα είναι :

ηµθcrit =

1 n

(2.34)

΄Αρα προκύπτει ότι για οπτικό µέσο µε µεγάλο δείκτη διάθλασης η κρίσιµη γωνία είναι γενικά µικρή. π.χ. για το γυαλί θcrit = 41, 1o ,για το διαµάντι θcrit = 24o . Η µικρή κρίσιµη γωνία είναι ο λόγος που το διαµάντι µε πολλές έδρες ( ακριβό κόσµηµα) λαµποκοπά στο ϕως ! Το µεγαλύτερο µέρος του ϕωτός που εισέρχεται στο διαµάντι εγκλωβίζεται λόγο της εσωτερικής ανάκλασης εκεί. Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Α τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 13.1 - 13.50, 13.55 - 13.58, 13.60, 13.61, 13.62, 13.64, 13.65, 13.67, 13.68, 13.70 - 13.77, 13.79, 13.80, 13.81, 13.83, 13.84, 13.87, 13.88, 13.89

80


Κεφάλαιο 3 Μηχανική Στερεού Σώµατος 3.1

Η κινηµατική της κυκλικής κίνησης

Κυκλική Κίνηση Θεωρούµε ένα υλικό σηµείο, το οποίο κινείται σε κυκλική τροχιά ακτίνας R, όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Αν υποθέσουµε ότι σε χρονικό διάστηµα dt διαγράφει µήκος τόξου ds που αντιστοιχεί σε επίκεντρη γωνία dθ . Γραµµική Ταχύτητα Ονοµάζουµε γραµµική ταχύτητα ~ υ του υλικού σηµείου τη χρονική στιγµή t, ένα διάνυσµα, το οποίο έχει µέτρο ίσο µε το πηλίκο του τόξου ds προς τον αντίστοιχο χρόνο dt.

υ=

ds dt

(3.1)

Η γραµµική ταχύτητα εφάπτεται της κυκλικής τροχιάς στη ϑέση που ϐρίσκεται κάθε ϕορά το υλικό σηµείο και 2) Χρησιµοποιώντας γωνιακά µεγέθη, όπως γωνία που διαέχει τη ϕορά γράφει της κίνησης Η µονάδα είναι το κινητό,του. γωνιακή ταχύτητα,µέτρησης γωνιακή επιτάχυντο 1m/s. ση. i) Έστω ένα υλικό σηµείο που εκτελεί οριζόντια κυκλική τροχιά. Σε χρόνο dt το σώµα διαγράφει γωνία:

<ω <υ Ο

ds

Γωνιακή Ταχύτητα

ds

=1 Ονοµάζουµε γωνιακή ταχύτητα ω ~ του υλικούdθσηµείου τη χρονική στιγµή t ένα διάνυR σµα, το οποίο έχει διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο της κυκλικής τροχιάς του και µέτρο ίσο µε το πηλίκοοπότε της γωνιάς προς τον αντίστοιχο χρόνο dt. η γωνιακήdθταχύτητα ορίζεται από την εξίσωση:

dθ dθ ω = ω= =1dt (rad/s) dt

(3.2)

Η κατεύθυνση γωνιακήςκάθετη ταχύτητας ω ~ καθορίζεται µε τονστοκανόνα τουκύκλου, δεξιού και της µε κατεύθυνση στο επίπεδο της κυκλικής τροχιάς κέντρο του η φορά της οποίαςτης καθορίζεται απόταχύτητας τον κανόνα του δεξιού χεριού, όπου τα ενωµένα δάχεριού. Η µονάδα µέτρησης γωνιακής είναι το 1rad/s . κτυλα δείχνουν την φορά περιστροφής και ο αντίχειρας την φορά της γωνιακής ταχύτητας.

Σχέση γραµµικής και γωνιακής ταχύτητας ii) Αν αλλάζει η γωνιακή ταχύτητα, τότε το υλικό σηµείο έχει γωνιακή επιτάχυνση, η ο-

. Από τον ορισµό της γωνίας έχουµε Η επίκεντρη γωνία σχέση θ = Rsτης ποίαορίζεται ορίζεται, από σαν οτην ρυθµός µεταβολής γωνιακής ταχύτητας (η παράγωγος της γω-: νιακής ταχύτητας):

dθ =

ds ds dθ ⇒ ds = R · dθ ⇒ =R ⇒υ =ω·R < d ω R dt<αγων= 1 dt , dt

είναι δε διανυσµατικό µέγεθος, που έχει την διεύθυνση της γωνιακής ταχύτητας. Αν έχει την ίδια φορά µε την γωνιακή ταχύτητα η κίνηση είναι επιταχυνόµενη, αν έχει αντίθετη φορά η κίνηση χαρακτηρίζεται σαν επιβραδυνόµενη, αφού το µέτρο της γωνιακής ταχύτητας µικραίνει. Στα παρακάτω σχήµατα εµφανίζονται τα διανύσµατα της γωνιακής ταχύτητας και γωνιακής επιτάχυνσης, όπου ω1 η αρχική και ω2 η τελική γωνιακή ταχύτητα σε ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστηµα.


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Κεντροµόλος επιτάχυνση Στην κυκλική κίνηση λόγω της µεταβολής της διεύθυνσης της γραµµικής ταχύτητας του, το υλικό σηµείο έχει κεντροµόλο επιτάχυνση, της οποία το µέτρο δίνεται από την σχέση :

ακ =

υ2 = ω2 · R R

(3.3)

Η κεντροµόλος επιτάχυνση είναι υπεύθυνη για την µεταβολή της διεύθυνσης της γραµµικής ταχύτητας. Η διεύθυνση της είναι πάντα κάθετη στην γραµµική ταχύτητα. Οµαλή κυκλική κίνηση ΄Οταν το µέτρο της γραµµικής ταχύτητας παραµένει σταθερό, τότε η κίνηση του υλικού σηµείου χαρακτηρίζεται ως Οµαλή Κυκλική Κίνηση. Στην κίνηση αυτή παραµένει επίσης σταθερό και το µέτρο της γωνιακής ταχύτητας, οπότε προκύπτει :

ω=

θ−0 ∆θ = ⇒θ =ω·t ∆t t−0

Στην οµαλή κυκλική κίνηση το υλικό σηµείο σε ίσους χρόνους διανύει ίσα τόξα. Μεταβαλλόµενη κυκλική Κίνηση Θεωρούµε ένα υλικό σηµείο, το οποίο κινείται σε κυκλική τροχιά ακτίνας R. Αν υποθέσουµε ότι σε χρονικό διάστηµα dt µεταβάλλεται η γραµµική ταχύτητα κατά d~ υ και η γωνιακή ταχύτητα κατά d~ ω τότε η κίνηση του είναι µια µεταβαλλόµενη κίνηση. Γραµµική ( ή επιτρόχια) επιτάχυνση Λόγω της µεταβολής του µέτρου της γραµµικής ταχύτητας, το υλικό σηµείο έχει γραµµική επιτάχυνση. Ονοµάζουµε γραµµική επιτάχυνση α ~ του υλικού σηµείου τη χρονική στιγµή t ένα διάνυσµα, του οποίου το µέτρο είναι ίσο µε το µέτρο του ϱυθµού µεταβολής της γραµµικής ταχύτητας.

α =

dυ dt

(3.4)

Η γραµµική επιτάχυνση εφάπτεται της κυκλικής τροχιάς και έχει τη ϕορά της κίνησης, όταν το µέτρο της γραµµικής ταχύτητας αυξάνεται και ϕορά αντίθετη από τη ϕορά της κίνησης, όταν το µέτρο της γραµµικής ταχύτητας ελαττώνεται. Η µονάδα µέτρησης της γραµµικής επιτάχυνσης είναι το 1m/s2 .

82


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Το διανυσµατικό άθροισµα της γραµµικής επιτάχυνσης α ~  και της κεντροµόλου επιτάχυνσης α ~ κ δίνει την συνισταµένη επιτάχυνση α ~ =α ~ + α ~ κ του υλικού σηµείου σε p κάθε ϑέση της τροχιάς του. Το µέτρο της συνολικής επιτάχυνσης είναι ίσο µε α = α2 + ακ2

Γωνιακή Επιτάχυνση Ονοµάζουµε γωνιακή επιτάχυνση αγων ~ του υλικού σηµείου τη χρονική στιγµή t ένα διάνυσµα, του οποίου το µέτρο είναι ίσο µε το µέτρο του ϱυθµού µεταβολής της γωνιακής ταχύτητας.

αγων =

dω dt

(3.5)

Η γωνιακή επιτάχυνση έχει την κατεύθυνση του διανύσµατος d~ ω . Μονάδα µέτρησης της γωνιακής επιτάχυνσης είναι το 1rad/s2 .Γωνιακή επιτάχυνση 1rad/s2 σηµαίνει ότι ο ϱυθµός µεταβολής του µέτρου της γωνιακής ταχύτητας είναι 1rad/s σε κάθε 1s. Σχέση γραµµικής και γωνιακής ταχύτητας Η σχέση υ = ω · R µπορεί να γραφτεί :

dυ = R · dω ⇒

dω dυ =R ⇒ α = αγων · R dt dt

Οµαλά µεταβαλλόµενη κυκλική κίνηση ΄Οταν το µέτρο της επιτρόχιας επιτάχυνσης παραµένει σταθερό, τότε η κίνηση του υλικού σηµείου χαρακτηρίζεται ως Οµαλά µεταβαλλόµενη κυκλική κίνηση. Στην κίνηση αυτή παραµένει επίσης σταθερό και το µέτρο της γωνιακής επιτάχυνσης, άρα µπορούµε να γράψουµε :

αγων =

ω − ω0 ∆ω = ∆t t−0

Από την παραπάνω σχέση προκύπτει :

ω = ω0 + αγων t

(3.6)

Από το διάγραµµα γωνιακής ταχύτητας (ω ) - χρόνου (t) µπορούµε να υπολογίσουµε :

ˆ την γωνιακή επιτάχυνση που είναι ίση µε την κλίση της ευθείας αγων =

∆ω ∆t

83


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ˆ την γωνία θ που διαγράφει το υλικό σηµείο από την χρονική στιγµή t = 0 µέχρι την στιγµή t µε τον υπολογισµό του εµβαδού που περικλείεται κάτω από την ευθεία. Εύκολα αποδεικνύεται ότι είναι :

1 θ = ω0 t + αγων t2 2

(3.7)

Στην περίπτωση της οµαλά επιβραδυνόµενης στροφικής κίνησης(αγων < 0) οι παϱαπάνω σχέσεις γράφονται : ω = ω0 − |αγων |t και θ = ω0 t − 12 |αγων |t2 . Παρακάτω ακολουθεί ένας πίνακας αντιστοιχιών µεταξύ γραµµικών και στροφικών µεγεθών της κυκλικής κίνησης.

Γραµµικά µεγέθη Μήκος τόξου s γραµµική ταχύτητα υ γραµµική επιτάχυνση α =

Γωνιακά µεγέθη γωνία στροφής θ γωνιακή ταχύτητα ω dυ γωνιακή επιτάχυνση αγων = dt Οµαλή Κυκλική Κίνηση

s = υt

dω dt

θ = ωt Οµαλά Επιταχυνόµενη Κυκλική Κίνηση

υ = υ0 + α  t s = υ0 t + 12 α t2

ω = ω0 + αγων t θ = ω0 t + 21 αγων t2 Οµαλά Επιβραδυνόµενη Κυκλική Κίνηση

υ = υ0 − |α |t s = υ0 t − 12 |α |t2

3.2 3.2.1

ω = ω0 − |αγων |t θ = ω0 t − 21 |αγων |t2

Κινήσεις Στερών Σωµάτων Υλικό σηµείο και µηχανικό στερεό

Υλικά σηµεία λέγονται τα σώµατα που ϑεωρούµε ότι έχουν όλες τις άλλες ιδιότητες της ύλης, εκτός από διαστάσεις. ΄Ενα υλικό σηµείο, αφού δεν έχει διαστάσεις, µπορεί να εκτελεί µόνο µεταφορικές κινήσεις. Τέτοιες κινήσεις έχουµε περιγράψει στην Φυσική της Α Λυκείου. Μηχανικά Στερεά λέγονται τα σώµατα που έχουν διαστάσεις, τις οποίες δεν µπορούµε να αγνοήσουµε και που δεν παραµορφώνονται όταν σε αυτά ασκούνται δυνάµεις. ΄Ενα στερεό σώµα, αφού έχει διαστάσεις, εκτός από την µεταφορική κίνηση, µπορεί ακόµα να εκτελέσει περιστροφική (στροφική) κίνηση ή ακόµα και σύνθετη κίνηση ( µεταφορική και περιστροφική). Οι κινήσεις των στερεών σωµάτων ΄Ενα στερεό µπορεί να κάνει µεταφορική, στροφική ή σύνθετη κίνηση. 84


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Μεταφορική Κίνηση Λέµε ότι ένα σώµα κάνει µεταφορική κίνηση, όταν κάθε στιγµή όλα τα σηµεία του σώµατος έχουν την ίδια ταχύτητα κατά µέτρο και κατεύθυνση.

Σχήµα 3.1: Μεταφορική κίνηση στερεού Η µεταφορική κίνηση δεν είναι κατ΄ανάγκη και ευθύγραµµη κίνηση, µπορεί να είναι και καµπυλόγραµµη αρκεί ϐέβαια να ισχύουν τα παρακάτω :

ˆ οι τροχιές όλων των σηµείων του σώµατος να είναι παράλληλες ˆ το ευθύγραµµο τµήµα που συνδέει δύο τυχαία σηµεία του σώµατος να µετατοπίζεται παράλληλα προς τον εαυτό του. Στροφική Κίνηση Λέµε ότι ένα σώµα κάνει στροφική κίνηση, όταν αλλάζει προσανατολισµό. Στη στροφική κίνηση υπάρχει µια ευθεία ( ο άξονας περιστροφής) που όλα τα σηµεία της παραµένουν ακίνητα, ενώ τα υπόλοιπα σηµεία του σώµατος κάνουν κυκλική κίνηση, σε επίπεδα κάθετα στον άξονα µε τα κέντρα τους πάνω στον άξονα. Ο άξονας περιστροφής δεν είναι απαραίτητο να διέρχεται από το σώµα. Η στροφική κίνηση δεν είναι κατ΄ ανάγκη κυκλική κίνηση. Αφού κάθε υλικό σηµείο του στερεού εκτελεί µια κυκλική κίνηση, ϑα ισχύει για αυτό η κινηµατική περιγραφή των παραπάνω παραγράφων. ΄Αρα για την στροφική κίνηση ενός στερεού σώµατος µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τις ίδιες ποσότητες µε τις οποίες περιγράψαµε την κυκλική κίνηση ενός υλικού σηµείου. Η έννοια του κέντρου µάζας Με στόχο την απλοποίηση της µελέτης του στερεού σώµατος εισάγουµε την έννοια του κέντρου µάζας του σώµατος. Κέντρο µάζας (cm) ονοµάζεται το σηµείο εκείνο που κινείται όπως ένα υλικό σηµείο µε µάζα ίση µε την µάζας του σώµατος, αν σ΄ αυτό ασκούνται όλες οι δυνάµεις που ασκούνται στο σώµα. Στην ουσία η µελέτη της µεταφορικής κίνησης ενός στερεού σώµατος, ανάγεται στη µελέτη της κίνησης του κέντρου µάζας του. 85


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Η κίνηση του κέντρου µάζας ενός σώµατος καθορίζεται από την συνισταµένη των εξωτερικών δυνάµεων που ασκούνται στο σώµα. Σύµφωνα µε τον 2ο Νόµο του Νεύτωνα ισχύει ότι : ΣF~ = m~ αcm (3.8) Στα οµογενή στερεά σώµατα, τα οποία έχουν κέντρο συµµετρίας, το κέντρο µάζας τους συµπίπτει µε το κέντρο συµµετρίας. Για παράδειγµα το κέντρο µάζας µιας οµογενούς σφαίρας είναι το κέντρο της σφαίρας. Βέβαια το κέντρο µάζας µπορεί να ϐρίσκεται και σε σηµείο έξω από το σώµα. Για παράδειγµα σε ένα οµογενή δακτύλιο το κέντρο µάζας είναι στο κέντρο Κ του δακτυλίου. Σύνθετη Κίνηση Λέµε ότι ένα σώµα κάνει σύνθετη κίνηση, όταν µετακινείται στον χώρο και ταυτόχρονα αλλάζει ο προσανατολισµός του. Για παράδειγµα σύνθετη κίνηση κάνει ο τροχός ενός αυτοκινήτου, όταν αυτό είναι σε κίνηση. Ο τροχός στρέφεται γύρω από τον άξονα του και ταυτόχρονα συµµετέχει στην µεταφορική κίνηση του αυτοκινήτου. Η σύνθετη κίνηση µπορεί να περιγραφεί ως το αποτέλεσµα της Επαλληλίας ( σύνθεσης) µιας µεταφορικής και µιας στροφικής κίνησης. Το παράδειγµα της κύλισης του τροχού Παρακάτω ϐλέπουµε ένα τροχό που κυλίεται σε οριζόντιο επίπεδο, χωρίς να ολισθαίνει. Ο τροχός µπορεί να κυλίεται χωρίς ολίσθηση, όταν δεν υπάρχει σχετική κίνηση µεταξύ του σηµείου επαφής του τροχού µε το δάπεδο.

Η κίνηση του τροχού µπορεί να ϑεωρηθεί ως το αποτέλεσµα της επαλληλίας ( σύνθεσης): α. µιας µεταφορικής κίνησης, λόγω της οποίας τα σηµεία του τροχού, κάθε στιγµή έχουν την ίδια ταχύτητα υ~cm 86


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐ. µιας στροφικής κίνησης γύρω από τον άξονα του, λόγω της οποίας όλα τα σηµεία του τροχού που απέχουν το ίδιο από τον άξονα περιστροφής έχουν ταχύτητες που είναι εφαπτόµενες στην κυκλική τους τροχιά και έχουν µέτρο υ ΄Οταν ένας τροχός ακτίνας R κυλίεται, χωρίς να ολισθαίνει,τότε κάθε σηµείο της περιφέρειας του έρχεται διαδοχικά σε επαφή µε το δρόµο. ΄Ετσι αν το κέντρο µάζας του τροχού έχει µετακινηθεί κατά διάστηµα dx σε ένα χρονικό διάστηµα dt, ένα σηµείο της περιφέρειας ϑα έχει στραφεί κατά επίκεντρη γωνία dθ , η οποία αντιστοιχεί σε µήκος τόξου ds, στον ίδιο χρόνο. ΄Οπως ϕαίνεται και στο διπλανό σχήµα, λόγω της µη ολίσθησης (dx = ds) και µε ϐάση τον ορισµό της επίκεντρης γωνίας έχουµε :

dθ =

ds ⇒ ds = R · dθ ⇒ dx = R · dθ R

Από τα παραπάνω προκύπτει η 1η Συνθήκη Κύλισης, η οποία είναι αναγκαία συνθήκη, ώστε ο τροχός να κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει.

x=R·θ Με ϐάση τον ορισµό της ταχύτητας του κέντρου µάζας (υcm = ) προκύπτει ότι : ταχύτητας (ω = dθ dt

dθ dx = R ⇒ υcm = ω · R dt dt

(3.9) dx ) dt

και της γωνιακής

(3.10)

Η παραπάνω σχέση αποτελεί επίσης αναγκαία συνθήκη για την κύλιση χωρίς ολίσθηση και είναι η 2η Συνθήκη Κύλισης. Επειδή υ = ω · R είναι η γραµµική ταχύτητα των σηµείων της περιφέρειας του τροχού προκύπτει ότι υcm = υ . Συµπεραίνουµε ότι : Κατά την κύλιση ενός τροχού, χωρίς ταυτόχρονη ολίσθηση, το µέτρο της ταχύτητας του κέντρου µάζας του είναι ίσο µε το µέτρο της γραµµικής ταχύτητας των σηµείων της περιφέρειας του. Με ϐάση την 2η Συνθήκη Κύλισης µπορούµε να προχωρήσουµε στον προσδιορισµό της ταχύτητας διαφόρων σηµείων της περιφέρειας του τροχού. Η ταχύτητα κάθε σηµείου Σ της περιφέρειας προκύπτει από την ¨επαλληλία¨ των επιµέρους κινήσεων (~ υΣ = ~υcm +~υ ). Από το παραπάνω σχήµα σύνθεσης των κινήσεων προκύπτουν :

ˆ Η ταχύτητα του κέντρου Ο του τροχού είναι :

υo = υcm ˆ Η ταχύτητα του σηµείου Κ του τροχού είναι :

υκ = υcm − υ = 0 87


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ˆ Η ταχύτητα του σηµείου Ζ του τροχού είναι :

υz = υcm + υ = 2υcm ˆ Η ταχύτητα του σηµείου Μ του τροχού είναι : p √ 2 + υ2 = 2υcm υM = υcm Αν ϑεωρήσουµε ότι ο τροχός κυλίεται σε πλάγιο επίπεδο χωρίς να ολισθαίνει, είναι προφανές ότι τόσο η ταχύτητα του κέντρου µάζας, όσο και η γωνιακή ταχύτητα ϑα αυξάνονται. ΄Εστω ότι σε χρόνο dt η ταχύτητα του κέντρου µάζας αυξάνεται κατά dυcm και η γωνιακή ταχύτητα αυξάνεται κατά dω . Με ϐάση τον ορισµό της επιτάχυνσης του ) έχουµε : κέντρου µάζας (αcm = dυdtcm ) και της γωνιακής επιτάχυνσης (αγων = dω dt

υcm = ω · R ⇒ dυcm = R · dω ⇒

dυcm dω =R· ⇒ αcm = αγων · R dt dt

(3.11)

Η παραπάνω σχέση αποτελεί επίσης αναγκαία συνθήκη, ώστε ο τροχός να κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει και ειναι η 3η Συνθήκη Κύλισης. Επειδή α = αγων · R είναι η επιτρόχιος επιτάχυνση των σηµείων της περιφέρειας του τροχού, προκύπτει ότι αcm =

α Κατά την κύλιση ενός τροχού, χωρίς ταυτόχρονη ολίσθηση, το µέτρο της επιτάχυνσης του κέντρου µάζας του είναι ίσο µε το µέτρο της επιτρόχιας επιτάχυνσης των σηµείων της περιφέρειας του. Η επιτάχυνση κάθε σηµείου της περιφέρειας του τροχού είναι η συνισταµένη της επιτάχυνσης λόγω της µεταφορικής κίνησης (α ~ cm ) ,της γραµµικής επιτάχυνσης λόγω της στροφικής κίνησης (α ~  ) και της κεντροµόλου επιτάχυνσης (α ~ κ ). Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 1.1 - 1.50, 1.55, 1.57, 1.58, 1.60, 1.61, 1.62, 1.65, 1.66, 1.69, 1.72, 1.75, 1.77, 1.86 - 1.92, 1.94, 1.97, 1.98, 1.100, 1.101, 1.102, 1.105

3.3

Ροπή ∆ύναµης - Ισορροπία Στερεού Σώµατος

Ροπή ∆ύναµης Η ϱοπή δύναµης (~ τ ) είναι το ϕυσικό µέγεθος που περιγράφει την ικανότητα µιας δύναµης να στρέφει ένα σώµα. α)Ροπή ∆ύναµης ως προς άξονα Θεωρούµε ένα σώµα, το οποίο έχει τη δυνατότητα να στρέφεται ~ , η οποία γύρω από τον άξονα zz 0 . Στο σώµα ασκείται δύναµη F 88


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐρίσκεται σε επίπεδο κάθετο στον άξονα περιστροφής και ο ϕορέας της απέχει από τον άξονα απόσταση l (µοχλοβραχίονας). Ονοµάζουµε ϱοπή δύναµης ως προς άξονα περιστροφής zz 0 , το διανυσµατικό µέγεθος ~τ , το οποίο έχει :

ˆ διεύθυνση τη διεύθυνση του άξονα περιστροφής ˆ ϕορά τη ϕορά που καθορίζεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού και ˆ µέτρο ίσο µε το γινόµενο του µέτρου F της δύναµης επί την κάθετη απόσταση l της δύναµης από τον άξονα περιστροφής, δηλαδή :

τ =F ·l

(3.12)

Στο διεθνές σύστηµα µονάδων η µονάδα µέτρησης της ϱοπής δύναµης είναι το 1N · m. Αν η δύναµη δεν ϐρίσκεται σε επίπεδο κάθετο στον άξονα περιστροφής, αλλά σχηµατίζει γωνία φ µε αυτό, τότε την αναλύουµε σε δύο συνιστώσες, µια συνιστώσα (Fx ) πάνω σε επίπεδο κάθετο στον άξονα και µια συνιστώσα (Fy ) παράλληλη προς τον άξονα.Η ϱοπή της δύναµης έχει µέτρο :

τ = Fx · l = F lσυνφ

(3.13)

Η ϱοπή µιας δύναµης ως προς άξονα είναι ίση µε µηδέν:

ˆ όταν η δύναµη ασκείται στον άξονα ˆ όταν ο ϕορέας της δύναµης τέµνει τον άξονα ˆ όταν ο ϕορέας της δύναµης είναι παράλληλος προς τον άξονα. Κατά σύµβαση ϑεωρούµε ϑετική την ϱοπή της δύναµης που τείνει να περιστρέψει το σώµα αντίθετα από την ϕορά των δεικτών του ϱολογιού και αρνητική τη ϱοπή της δύναµης που τείνει να περιστρέψει το σώµα κατά τη ϕορά κίνησης των δεικτών του ϱολογιού. Η συνολική ϱοπή (Στ )που δέχεται ένα σώµα, στο οποίο ασκούνται πολλές οµοεπίπεδες δυνάµεις, είναι ίση µε το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών των δυνάµεων ως προς τον άξονα περιστροφής του σώµατος. ϐ)Ροπή ∆ύναµης ως προς σηµείο Αν σ΄ ένα σώµα ελεύθερο να κινηθεί ασκείται δύναµη που ο ϕορέας της διέρχεται από το κέντρο µάζας του, το σώµα ϑα εκτελέσει µόνο µεταφορική κίνηση. Αν, όµως, ο ϕορέας της δύναµης δε διέρχεται από το κέντρο µάζας του, το σώµα ϑα εκτελέσει σύνθετη κίνηση : µια µεταφορική και µια περιστροφική γύρω από ένα νοητό άξονα 89


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου που διέρχεται από το κέντρο µάζας του σώµατος και είναι κάθετος στο επίπεδο που ορίζει ο ϕορέας της δύναµης και το κέντρο µάζας. Στις περιπτώσεις που δεν υπάρχει σταθερός άξονας περιστροφής χρησιµοποιείται η έννοια της ϱοπής δύναµης ως προς σηµείο. Ονοµάζουµε ϱοπή δύναµης ως προς σηµείο Ο, το διανυσµατικό µέγεθος ~ τ, το οποίο έχει :

ˆ διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από το ϕορέα της δύναµης και το σηµείο Ο

ˆ ϕορά τη ϕορά που καθορίζεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού

ˆ µέτρο ίσο µε το γινόµενο του µέτρου F της δύναµης από την απόσταση l του σηµείου Ο από το ϕορά της δύναµης. ∆ηλαδή :

τ =F ·l Η ϱοπή δύναµης ως προς σηµείο είναι ίση µε µηδέν:

ˆ όταν η δύναµη ασκείται στο σηµείο αυτό ή ˆ όταν ο ϕορέας της δύναµης διέρχεται από το σηµείο αυτό. γ) Ροπή Ϲεύγους δυνάµεων

~1 και F~2 , οι οποίες ασκοΖεύγος δυνάµεων ονοµάζουµε ένα σύστηµα δύο δυνάµεων F ύνται σε δύο διαφορετικά σηµεία ενός σώµατος, είναι αντίρροπες και έχουν ίσα µέτρα. Στο διπλανό σχήµα, η αλγεβρική τιµή της ϱοπής τους Ϲεύγους, ως προς κάποιο σηµείο Α ϑα είναι το αλγεβρικό άθροισµα των επιµέρους ϱοπών των δύο δυνάµεων (F1 = F2 ): τ = F1 x1 + F2 x2 = F1 (x1 + x2 ) ⇒ τ = F1 d Ονοµάζουµε ϱοπή Ϲεύγους δυνάµεων το διανυσµατικό µέγεθος ~ τ , το οποίο έχει :

ˆ διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο των δύο δυνάµεων, ˆ ϕορά την ϕορά που καθορίζεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού και ˆ µέτρο ίσο µε το γινόµενο του µέτρου F~1 της µιας από τις δύο δυνάµεις επί τον ϐραχίονα d του Ϲεύγους. ∆ηλαδή :

τ = F1 · d 90

(3.14)


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Από τα παραπάνω είναι εύκολα κατανοητό ότι η ϱοπή του Ϲεύγους δυνάµεων είναι ίδια ως προς οποιοδήποτε σηµείο του επιπέδου τους και ως προς οποιονδήποτε άξονα περιστροφής κάθετο στο επίπεδο του Ϲεύγους. Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 2.1 - 2.21,2.58, 2.59, 2.60, 2.62, 2.63, 2.65, 2.67 Ισορροπία Στερεού Σώµατος Θεωρούµε ένα αρχικά ακίνητο στερεό σώµα, στο οποίο ασκούνται πολλές οµοεπίπεδες δυνάµεις. Για να ισορροπεί ϑα πρέπει : α) Η συνισταµένη δύναµη να είναι µηδέν

ΣF~ = 0

(3.15)

΄Οταν ικανοποιείται η παραπάνω συνθήκη, η επιτάχυνση του σώµατος στην µεταφορική κίνηση είναι µηδέν. Εποµένως για αρχικά ακίνητο σώµα (υ = 0), η συνθήκη αυτή αποτελεί συνθήκη ισορροπίας για την µεταφορική κίνηση ( Φυσική Α Λυκείου). ϐ) Το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών των δυνάµεων ως προς οποιοδήποτε σηµείο να είναι µηδέν

Στ = 0

(3.16)

΄Οταν ικανοποιείται η παραπάνω συνθήκη, η επιτάχυνση του σώµατος στην στροϕική κίνηση είναι µηδέν. Εποµένως για αρχικά ακίνητο σώµα(ω = 0), η συνθήκη αυτή αποτελεί συνθήκη ισορροπίας για την στροφική κίνηση. Στις ασκήσεις ισορροπίας στερεού ακολουθούµε γενικά τα ακόλουθα ϐήµατα : Βήµα 1ο : Σχεδιάζουµε όλες τις δυνάµεις που ασκούνται στο υπο µελέτη σώµα. Η κατεύθυνση κάθε δύναµης καθορίζεται από το είδος της ( π.χ. ϐάρος, κάθετη αντίδραση, τάση νήµατος). Για τις δυνάµεις που δεν γνωρίζουµε την κατεύθυνση τους είναι χρήσιµη η ακόλουθη πρόταση : ΄Οταν ένα σώµα ισορροπεί µε την επίδραση τριών µη παράλληλων οµοεπίπεδων δυνάµεων, τότε οι ϕορείς των δυνάµεων αυτών πρέπει να διέρχονται από το ίδιο σηµείο. Βήµα 2ο : Επιλέγουµε τους κατάλληλους ορθογώνιους άξονες x και y και αναλύουµε όσες δυνάµεις δεν είναι παράλληλες σε αυτούς. 91


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Βήµα 3ο : Εφαρµόζουµε τις συνθήκες ισορροπίας οµοεπίπεδων δυνάµεων :

ΣFx = 0, ΣFy = 0, Στ = 0 Κατάλληλο σηµείο για να εφαρµόσουµε την τρίτη συνθήκη είναι συνήθως, εκείνο από το οποίο διέρχεται ο ϕορέας µιας άγνωστης δύναµης. Στην περίπτωση αυτή επειδή η ϱοπή της είναι µηδέν, εξαφανίζεται από την εξίσωση που προκύπτει. Βήµα 4ο : Λύνουµε το σύστηµα των τριών εξισώσεων που προκύπτει.Με την λύση του συστήµατος µπορούµε να υπολογίσουµε µέχρι τρία άγνωστα µεγέθη.

Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 2.22 - 2.55,2.81, 2.82, 2.85, 2.87, 2.90 - 2.99, 2.102, 2.104, 2.105, 2.107, 2.108, 2.111, 2.113, 2.116, 2.118, 2.123.

3.4

Ροπή Αδράνειας

΄Εστω ένα στερεό σώµα, το οποίο στρέφεται γύρω από το σταϑερό άξονα z 0 z , όπως ϕαίνεται στο διπλανό σχήµα. Χωρίζουµε το σώµα σε στοιχειώδη τµήµατα µε µάζες m1 , m2 , ..., mν , τόσο µικρά ώστε καθένα από αυτά να µπορεί να ϑεωρηθεί υλικό σηµείο. Οι µάζες m1 , m2 , ..., mν κινούνται κυκλικά γύρω από τον άξονα, σε κύκλους µε ακτίνες r1 , r2 , ...rν , αντίστοιχα. Ονοµάζουµε ϱοπή αδράνειας I ενός στερεού ως προς τον άξονα z 0 z το άθροισµα των γινοµένων των στοιχειωδών µαζών από τις οποίες αποτελείται το σώµα επί τα τετράγωνα των αποστάσεων τους από τον άξονα περιστροφής. ∆ηλαδή :

I = m1 r12 + m2 r22 + ...mν rν2

(3.17)

Η ϱοπή αδράνειας είναι µονόµετρο µέγεθος και στο σύστηµα S.I. έχει µονάδες µέτρησης το 1kg · m2 . Από τον ορισµό της ϱοπής αδράνειας για ένα στερεό προκύπτει ότι η ϱοπή αδράνειας ενός υλικό σηµείου µε µάζα m,το οποίο κινείται κυκλικά σε κύκλο ακτίνας r, ως προς άξονα z 0 z που διέρχεται από το κέντρο της κυκλικής τροχιάς και είναι κάθετος στο επίπεδο της δίνεται από τη σχέση :

I = mr2

(3.18)

Παράδειγµα :Ροπή Αδράνειας Οµογενούς δακτυλίου, ως προς άξονα που διέρχεται από το κέντρο του.

92


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Χωρίζουµε το δακτύλιο σε στοιχειώδης µάζες m1 , m2 , ..., mν . Είναι ϕανερό ότι m1 + m2 + ...mν = M . Επειδή το πάχος του δακτυλίου είναι αµελητέο σε σχέση µε την ακτίνα του R, όλες οι στοιχειώδεις µάζες έχουν την ίδια απόσταση R από τον άξονα περιστροφής. Σύµφωνα µε τον ορισµό της ϱοπής αδράνειας έχουµε :

I

= m1 r12 + m2 r22 + ...mν rν2 = m1 R2 + m2 R2 + ...mν R2 ⇒ I = (m1 + m2 + ...mν )R2 ⇒ I = M R2

Θεώρηµα Στάϊνερ (Steiner ) Μεταξύ της ϱοπής αδράνειας Icm ενός σώµατος ως προς άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του και της ϱοπής αδράνειας Ip του σώµατος ως προς οποιοδήποτε άλλο άξονα p, παράλληλο µε τον πρώτο και σε απόσταση d από αυτόν υπάρχει µια απλή σχέση, γνωστή ως το ϑεώρηµα Παραλλήλων αξόνων ή ϑεώρηµα Steiner : Αν Icm είναι η ϱοπή αδράνειας ενός σώµατος µάζας Μ ως προς άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του, η ϱοπή αδράνειας του σώµατος ως προς έναν άξονα που είναι παράλληλος και απέχει απόσταση d από τον πρώτο είναι ίση µε το άθροισµα της ϱοπής αδράνειας ως προς άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του σώµατος και του γινοµένου της µάζας του σώµατος επί το τετράγωνο της απόστασης d. ∆ηλαδή :

Ip = Icm + M d2

(3.19)

Παράδειγµα :Ροπή Αδράνειας Οµογενούς δακτυλίου, ως προς άξονα που διέρχεται κάθετα από σηµείο της περιϕέρειας του. Σύµφωνα µε το ϑεώρηµα Steiner έχουµε ότι :

Ip = Icm + M d2 ⇒ Ip = Icm + M R2 = M R2 + M R2 ⇒ Ip = 2M R2 Από τους παραπάνω ορισµούς προκύπτει ότι η ϱοπή αδράνειας ενός σώµατος που στρέφεται γύρω από σταθερό άξονα εξαρτάται :

ˆ από την ολική µάζα του σώµατος. ˆ από την κατανοµή της µάζας του σώµατος ως προς τον άξονα περιστροφής του, η οποία έχει να κάνει µε το µέγεθος και το σχήµα του σώµατος.

ˆ από τη ϑέση του άξονα περιστροφής.

93


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Σχήµα 3.2: οι ϱοπές αδράνειας µερικών σωµάτων ως προς ένα συγκεκριµένο άξονα για κάθε σώµα, ο οποίος διέρχεται από το κέντρο µάζας του.

3.5

Θεµελιώδης Νόµος της Στροφικής Κίνησης

΄Οπως είναι γνωστό από την Φυσική της Α Λυκείου, στην περίπτωση ενός υλικού σηµείου, για να µεταβληθεί η ταχύτητα του, πρέπει να ασκηθεί σε αυτό δύναµη. Η σχέση ανάµεσα στην αιτία (δύναµη) και το αποτέλεσµα (επιτάχυνση) είναι :

ΣF~ = m~ α

(3.20)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή ως ο ϑεµελιώδης νόµος της µηχανικής. ΄Ενας αντίστοιχος νόµος ισχύει στη στροφική κίνηση στερεών σωµάτων. Σύµφωνα µε αυτόν, για να µεταβληθεί η γωνιακή ταχύτητα ενός σώµατος που στρέφεται γύρω από σταθερό άξονα, πρέπει να ασκηθεί σάυτό ϱοπή. Η σχέση ανάµεσα στην αιτία (ϱοπή) και το αποτέλεσµα (γωνιακή επιτάχυνση) είναι :

Στ = Iαγων

(3.21)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή ως ο Θεµελιώδης νόµος της στροφικής κίνησης, ο οποίος διατυπώνεται ως εξής : Το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών που δρουν πάνω σε ένα στερεό σώµα, το οποίο περιστρέφεται γύρω από σταθερό άξονα, είναι ίσο µε το γινόµενο της ϱοπής αδράνειας του σώµατος ως προς τον άξονα περιστροφής και της γωνιακής επιτάχυνσης του σώµατος. Είναι προφανές ότι στην σχέση 3.21 το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών και η ϱοπή αδράνειας αναφέρονται στον ίδιο άξονα περιστροφής. 94


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Φυσική Σηµασία της Ροπής Αδράνειας Είναι προφανές ότι από τον Θεµελιώδη Νόµο της Στροφικής Κίνησης και την εξίσωση 3.21 προκύπτει ότι η ϱοπή αδράνειας ¨παίζει¨ σηµαντικό ϱόλο στην µεταβολή της γωνιακής ταχύτητας, καθώς η γωνιακή επιτάχυνση είναι αντιστρόφως ανάλογη της ϱοπής αδράνειας. Η ϱοπή αδράνειας εκφράζει στην περιστροφική κίνηση, ό,τι εκφράζει η µάζα στην µεταφορική κίνηση. Ποιο συγκεκριµένα :

ˆ Η µάζα m εκφράζει στην µεταφορική κίνηση την αντίσταση που προβάλλει ένα σώµα σε κάθε µεταβολή της ταχύτητας του. Είναι δηλαδή το µέτρο της αδράνειας στην µεταφορική κίνηση.

ˆ Η ϱοπή αδράνειας I εκφράζει στην περιστροφική κίνηση την αντίδραση που προβάλλει ένα στερεό σώµα σε κάθε µεταβολή της γωνιακής του ταχύτητας. Είναι δηλαδή το µέτρο της αδράνειας στην στροφική κίνηση. Αξίζει να σηµειωθεί ότι, αντίθετα µε την µάζα ενός σώµατος που είναι ένα σταθερό µέγεθος, η ϱοπή αδράνειας δεν είναι µονοσήµαντα ορισµένη για ένα σώµα και εξαρτάται από την ϑέση του άξονα περιστροφής.΄Ενα στερεό σώµα έχει µια µάζα, αλλά άπειρες ϱοπές αδράνειας. Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 3.1 - 3.25, 3.27, 3.28, 3.29, 3.32, 3.33, 3.36, 3.38 ∆ιερεύνηση της σχέσης Στ = Iαγων α. Θέτοντας στη σχέση αυτή Στ = 0 παίρνουµε αγων = 0. ∆ηλαδή αν το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών είναι µηδέν, τότε η γωνιακή επιτάχυνση του σώµατος είναι µηδέν και κατά συνέπεια η γωνιακή ταχύτητα παραµένει σταθερή. Αυτό σηµαίνει ότι, αν το σώµα δεν στρέφεται (ω = 0), ϑα εξακολουθήσει να µην στρέφεται, ενώ αν στρέφεται µε γωνιακή ταχύτητα ω ~ , ϑα εξακολουθήσει να στρέφεται µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω ~ .(Αρχή της Αδράνειας στην στροφική κίνηση). ϐ. Θέτοντας στη σχέση αυτή Στ =σταθ. , παίρνουµε αγων =στάθ. Αυτό σηµαίνει ότι, αν σε ένα σώµα που έχει την δυνατότητα να στρέφεται γύρω από σταθεϱό άξονα ασκείται σταθερή συνισταµένη ϱοπή, το σώµα στρέφεται µε σταθερή γωνιακή επιτάχυνση, δηλαδή εκτελεί οµαλά µεταβαλλόµενη στροφική κίνηση.

3.5.1

Εφαρµογή των Θεµελιωδών Νόµων στην κίνηση στερεού σώµατος

Τα είδη των κινήσεων που µπορεί να εκτελέσει ένα αρχικά ακίνητο στερεό σώµα που είναι ελεύθερο να κινηθεί, ανάλογα µε τις συνθήκες που ισχύουν, δίνονται στον παϱακάτω πίνακα : 95


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ΣF~ = 0, Στ = 0 ΣF~ 6= 0, Στ = 0

Το σώµα ισορροπεί Το σώµα εκτελεί επιταχυνόµενη µεταφορική κίνηση. µε την επιτάχυνση του κέντρου µάζας να είναι α ~ cm

ΣF~ = 0, Στ 6= 0

Το σώµα εκτελεί επιταχυνόµενη στροφική κίνηση γύρω από άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του, µε γωνιακή επιτάχυνση αγων

ΣF~ 6= 0, Στ 6= 0

Το σώµα εκτελεί σύνθετη κίνηση ( επιταχυνόµενη µεταφοϱική µε επιτάχυνση α ~ cm και επιταχυνόµενη στροφική γύρω από άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας µε γωνιακή επιτάχυνση αγων )

Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις :4.1 - 4.14,4.52, 4.53, 4.55, 4.56, 4.57, 4.60, 4.63, 4.64, 4.66, 4.68, 4.69, 4.70 Ασκήσεις, όπου ένα στερεό ( τροχαλία, κύλινδρος κλπ) εκτελεί περιστροφική κίνηση γύρω από σταθερό άξονα : (α) µε την επίδραση σταθερής εφαπτοµενικής δύναµης. (ϐ) µε την ταυτόχρονη µεταφορική κίνηση ενός άλλου σώµατος µέσω σχοινιού. (γ) µε την ταυτόχρονη µεταφορική κίνηση δύο άλλων σωµάτων, µέσω σχοινιών. Στις ασκήσεις αυτές, ϑεωρώντας ότι το περιστρεφόµενο στερεό είναι µια τροχαλία εργαϹόµαστε ως εξής :

ˆ Σχεδιάζουµε προσεκτικά τις δυνάµεις που ασκούνται στο σώµα ή στα σώµατα που εκτελούν µεταφορική κίνηση.

ˆ Σχεδιάζουµε προσεκτικά τις δυνάµεις που ασκούνται στην τροχαλία. ˆ Για κάθε σώµα που εκτελεί µεταφορική κίνηση γράφουµε τον ϑεµελιώδη νόµο της µηχανικής :

ΣF~ = mα ˆ Αν χρειάζεται, για κάθε σώµα που εκτελεί µεταφορική κινήση γράφουµε τις εξισώσεις της κίνησης του :

υ = υ0 + αt, 96

1 x = υ0 t + αt2 2


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

ˆ Για την τροχαλία γράφουµε τον ϑεµελιώδη νόµο της µηχανικής για την στροφική κίνηση ως προς τον άξονα περιστροφής της :

Στ = Iαγων ˆ Αν χρειάζεται για την τροχαλία γράφουµε τις εξισώσεις της περιστροφικής κίνησης :

ω = ω0 + αγωτ t,

1 θ = ω0 t + αγων t2 2

ˆ Επειδή δεχόµαστε πάντα ότι το σχοινί που περιβάλλει την τροχαλία δεν ολισθαίνει πάνω σε αυτήν, γράφουµε την συνθήκη µη ολίσθησης του σχοινιού. Σύµϕωνα µε την συνθήκη αυτή υποθέτουµε ότι αν το σώµα που αναρτάται στο σχοινί διανύει διάστηµα x τότε η τροχαλία στρέφεται κατά τόξο µήκους s = Rθ = x. ΄Αρα µε την λογική που παρουσιάσαµε στην περίπτωση της κύλισης χωρίς ολίσθηση προκύπτει ότι η γραµµική επιτάχυνση των σηµείων της περιφέρειας της τροχαλίας στα οποία εφάπτεται το σχοινί ταυτίζεται µε την επιτάχυνση του κέντρου µάζας του σώµατος που είναι δεµένο στο άκρο του σχοινιού :

αcm = αγων R ˆ Λύνουµε το σύστηµα των εξισώσεων που προκύπτει και ϐρίσκουµε τα Ϲητούµενα άγνωστα µεγέθη. Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 4.74, 4.76 - 4.82, 4.84, 4.86 - 4.89, 4.91, 4.92, 4.93 Ασκήσεις όπου ένα στερεό εκτελεί ταυτόχρονα και µεταφορική και περιστροϕική κίνηση - Κύλιση. Στις ασκήσεις αυτές εργαζόµαστε ως εξής :

ˆ Σχεδιάζουµε τις δυνάµεις που ασκούνται στο σώµα. ˆ Αγνοώντας το γεγονός ότι το σώµα περιστρέφεται, εφαρµόζουµε τον ϑεµελιώδη νόµο της µηχανικής για την µεταφορική κίνηση του κέντρου µάζας του σώµατος :

ΣF~ = m~ αcm ˆ Αγνοώντας το γεγονός ότι το σώµα µεταφέρεται, εφαρµόζουµε το ϑεµελιώδη νόµο της στροφικής κίνησης :

Στ = Iαγων ϑεωρώντας ότι το σώµα απλά στρέφεται γύρω από ένα σταθερό άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του. 97


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ˆ ΄Οταν οι δύο κινήσεις σχετίζονται µεταξύ τους, όπως για παράδειγµα συµβαίνει στα σώµατα που κυλίονται χωρίς να ολισθαίνουν ή στο «γιό-γιό», τότε οι επιταχύνσεις αcm και αγων συνδέονται µε τη σχέση :

αcm = αγων R ∆ύο

χαρακτηριστικά

παραδείγµατα

αυτής

της

περίπτωσης

ειναι :

Α. Το «γιό -γιό»: Αποτελείται από ένα µικρό κύλινδρο, µάζας m και ακτίνας R που στο κυρτό µέρος του έχει τυλιχθεί πολλές ϕοϱές ένα σχοινί. Κρατώντας σταθερό το ελεύθερο άκρο του σχοινιού και αφήνοντας τον κύλινδρο να πέσει, το σχοινί ξετυλίγεται και ο κύλινδρος περιστρέφεται γύρω από ένα νοητό οριζόντιο άξονα. Θεωρούµε ότι το σχοινί παραµένει κατακόρυφο σε όλη τη διάρκεια της κίνησης. Η κατακόρυφη µεταφορική κίνηση του κυλίνδρου εξασφαλίζεται από τις κατακόρυφες δυνάµεις του ϐάρους (w ~ ) και ~ της Τάσης (T ) του νήµατος, ενώ η περιστροφική από την ϱοπή της Τάσης του νήµατος. Σύµφωνα µε τα παραπάνω έχουµε : Μεταφορική Κίνηση :

ΣF = mαcm ⇒ mg − T = mαcm Στροφική Κίνηση :

Στ = Icm αγων ⇒ T R = Icm αγων Συνθήκη µη ολίσθησης του σχοινιού

αcm = αγων R Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 4.109, 4.111, 4.113, 4.120, 4.124, 4.134, 4.138, 4.144, 4.146 Β.Κύλιση κυλίνδρου χωρίς ολίσθηση σε κεκλιµένο επίπεδο : Η µεταφορική κίνηση του κυλίνδρου στο κεκλιµένο επίπεδο εξασφαλίζεται από την συνιστώσα του ϐάρους (wηµθ ) και από την στατική τριβή (Tστ ), ενώ η περιστροφική από την ϱοπή της στατικής τριβής ως προς τον άξονα περιστροφής που ταυτίζεται µε τον άξονα συµµετρίας του κυλίνδρου. ΄Εχουµε : 98


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Μεταφορική Κίνηση :

ΣFx = mαcm ⇒ mgηµθ − Tστ = mαcm Στροφική Κίνηση :

Στ = Icm αγων ⇒ Tστ R = Icm αγων Συνθήκη µη ολίσθησης του σχοινιού

αcm = αγων R Ο ϱόλλος της στατικής τριβής στην κύλιση Ο ϱόλος της στατικής τριβής είναι κατά κάποιο τρόπο ϱυθµιστικός γιατί :

ˆ από την µια ελαττώνει το µέτρο της επιτάχυνσης (αcm ) του κέντρου µάζας του κυλίνδρου που ϑα προκαλούσε µόνη της η συνιστώσα του ϐάρους, αφού είναι :

αcm =

mgηµθ − Tστ m

ˆ από την άλλη προκαλεί, µέσω της ϱοπής της Tστ R, γωνιακή επιτάχυνση αγων , την οποία δεν µπορεί να δηµιουργήσει η συνιστώσα του ϐάρους, µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται η εξισορρόπηση των µεγεθών αcm και αγων R, που ειναι η αναγκαία συνθήκη αcm = αγων R για την κύλιση χωρίς ολίσθηση. Προφανώς, αν δεν υπήρχε η τριβή, τότε δεν ϑα υπήρχε και ϱοπή ως προς τον άξονα συµµετρίας του κυλίνδρου, µε αποτέλεσµα ο κύλινδρος να ολισθαίνει χωρίς να κυλίεται. Η ϕορά της στατικής τριβής Η ϕορά της στατικής τριβής, η οποία είναι υπεύθυνη για την κύλιση, µπορεί να προσδιοριστεί, αρκεί να την σχετίσουµε µε το αποτέλεσµα της, δηλαδή την αύξηση ή µείωση της γωνιακής ταχύτητας. ΄Οταν ο κύλινδρος κυλίεται σε πλάγιο επίπεδο προς τα κάτω , το µέτρο της υcm αυξάνεται και αυξάνεται και η γωνιακή ταχύτητα. ΄Αρα η ϱοπή της στατικής τριβής ϑα πρέπει να αυξάνει την γωνιακή ταχύτητα, άρα να τείνει να περιστρέψει τον κύλινδρο κατά την ϕορά περιστροφής του. 99


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ΄Οταν ο κύλινδρος κυλίεται σε πλάγιο επίπεδο προς τα πάνω , το µέτρο της υcm µειώνεται και µειώνεται και η γωνιακή ταχύτητα. ΄Αρα η ϱοπή της στατικής τριβής ϑα πρέπει να µειώνει την γωνιακή ταχύτητα, άρα να τείνει να περιστρέψει τον κύλινδρο αντίθετα από την ϕορά περιστροφής του. Πότε ο κύλινδρος κυλίεται χωρίς ταυτόχρονη ολίσθηση · Στον κύλινδρο ασκούνται η δύναµη του ϐάρους (w ~ ), η στατική τριβή (T~στ ) και η κάθε~ ).Το µέτρο της στατικής τριβής καθορίζεται από τις τη αντίδραση από το δάπεδο (N υπόλοιπες δυνάµεις που ασκούνται στο σώµα και µπορεί να πάρει τιµές στο παρακάτω διάστηµα :

0 ≤ Tστ ≤ µs N ΄Οταν η στατική τριβή πάρει την µέγιστη τιµή της τότε αρχίζει η ολίσθηση του σώµατος, άρα για να µην ολισθαίνει πρέπει να ισχύει η ακολουθεί συνθήκη :

Tστ < µs N ΄Οταν Tστ = µs N , τότε ο κύλινδρος είναι έτοιµος να ολισθήσει. Στην περίπτωση της κύλισης µε ταυτόχρονη ολίσθηση δεν ισχύει η συνθήκη µη ολίσθησης άρα αcm 6=

αγων R Υπολογισµός του χρόνου κίνησης και του µέτρου της τελικής ταχύτητας κατά την κύλιση χωρίς ολίσθηση σε πλάγιο επίπεδο χωρίς ολίσθηση. ΄Οταν ένα στερεό µάζας Μ, ακτίνας R και ϱοπής αδράνειας ως προς το κέντρο µάζας του Ic m κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει σε κεκλιµένο επίπεδο, τότε ο χρόνος που χρειάζεται για να ϕτάσει στην ϐάση του κεκλιµένου επιπέδου, όπως και η ταχύτητα του κέντρου µάζας του, υπολογίζονται εύκολα µε τα ακόλουθα ϐήµατα :

ˆ Υπολογίζουµε την επιτάχυνση αc m του κέντρου µάζας του σώµατος από τις εξισώσεις : ΣFx = mαcm Στ = Icm αγων αcm = αγων R ˆ Υπολογίζουµε τον χρόνο κίνησης του στερεού από την εξίσωσηq κίνησης για την 2x 1 2 οµαλά επιταχυνόµενη µεταφορική κίνηση : x = 2 αcm t ⇒ t = αcm ˆ Υπολογίζουµε την τελική ταχύτητα του κυλίνδρου από την εξίσωση της ταχύτη√ τας : υcm = αcm t ⇒ υcm = 2αcm x Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 4.13 - 4.16, 4.19 - 4.44, 4.114, 4.116, 4.117, 4.119, 4.4.121, 4.122, 4.127, 4.129, 4.130, 4.131, 4.132, 4.136, 4.137, 4.141, 4.143

Γ.Σώµα που εκτελεί στροφική κίνηση µε µεταβλητή επιτάχυνση Στην περίπτωση µιας οµογενούς ϱάβδου µάζας Μ, µήκους L και ϱοπής αδράνειας 1 ως προς το κέντρο µάζας Icm = 12 M L2 που περιστρέφεται σε οριζόντιο επίπεδο γύρω από το άκρο της Ο µε την επίδραση του ϐάρους, πρέπει να είµαστε προσεκτικοί. 100


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Η γωνιακή επιτάχυνση δεν είναι σταθερή γιατί η ϱοπή του ϐάρους ως προς τον άξονα περιστροφής δεν είναι σταϑερή, κατά την διάρκεια της περιστροφής ! Εφαρµόζοντας το ϑεµελιώδη νόµο της στροφικής κίνησης σε µια τυχαία ϑέση που η ϱάβδος σχηµατίζει γωνία θ µε το οριζόντιο επίπεδο προκύπτει ότι :

Στ(o) = I(o) αγων ϐέβαια δεν ξεχνάµε την εφαρµογή του Θεωρήµατος Steiner για τον σωστό υπολογισµό της ϱοπής αδράνειας ως προς τον άξονα περιστροφής :

I(o)

 2 1 L = M L2 = Icm + M 2 3

Η ϱοπή του ϐάρους µπορεί εύκολα να υπολογιστεί από την σχέση :

L τ(o) = M g συνθ 2 είναι προφανές ότι στην οριζόντια ϑέση της ϱάβδου (θ = 0) η ϱοπή του ϐάρους είναι απλά M g L2 ΄Αρα µε ϐάση τα παραπάνω η γωνιακή επιτάχυνση µπορεί να υπολογιστεί µόνο σε συγκεκριµένες ϑέσεις και χρονικές στιγµές και όχι για όλη την διάρκεια της κίνησης και είναι ίση µε :

αγων =

3 συνθ 2L

Προσοχή ! σε αυτού του είδους την κίνηση δεν ισχύουν οι εξισώσεις της οµαλά µεταβαλλόµενης στροφικής κίνησης. Ο υπολογισµός της γωνίας στροφής και της γωνιακής ταχύτητας µπορούν να γίνουν µε την ∆ιατήρηση της Μηχανικής Ενέργειας που ϑα δούµε παρακάτω. Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις :4.150, 4.152, 4.153, 4.155, 4.156, 4.157, 4.158, 4.159, 4.161, 4.163

3.6

Στροφορµή-∆ιατήρηση Στροφορµής

Στην Φυσική της Α Λυκείου, µελετώντας την µεταφορική κίνηση ενός υλικού σηµείου ~ ). Το αντίστοιχο µέγεθος της ορµής για την γνωρίσαµε την έννοια της ορµής (P στροφική κίνηση ενός στερεού, είναι η στροφορµή που την συµβολίζουµε µε ~. το σύµβολο L α) Στροφορµή Υλικού σηµείου. Θεωρούµε ένα υλικό σηµείο µάζας m που κινείται στην περιφέρεια ενός κύκλου α~ ,όπως στο σχηµα. κτίνας r , έχοντας στιγµιαία ορµή P 101


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Ονοµάζουµε Στροφορµή του υλικού σηµείου, ως προς έναν άξονα zz 0 που διέρχεται από το κέντρο της κυκλικής τροχιάς και είναι κάθετος στο επίπεδο της, ~ που έχει : ένα διανυσµατικό µέγεθος L

ˆ διεύθυνση τη διεύθυνση του άξονα περιστροφής ˆ ϕορά τη ϕορά που καθορίζεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού

ˆ µέτρο ίσο µε το γινόµενο του µέτρου p της ορµής του υλικού σηµείου επί την ακτίνα r της κυκλικής τροχιάς. ∆ηλαδή :

L = pr ⇒ L = mυr

(3.22)

Μονάδα µέτρησης της στροφορµής υλικού σηµείου στο S.I. είναι το 1kgm2 /s. Αν ω είναι το µέτρο της γωνιακής ταχύτητας του υλικού σηµείου, τότε η σχέση (3.22) γράφεται : L = m(ωr)r ⇒ L = mr2 ω (3.23) Ο τρόπος ορισµού της στροφορµής έχει ¨πολλά κοινά¨ µε τον ορισµό της ϱοπής (τ = F r ). Τα διανύσµατα της στροφορµής και της ϱοπής έχουν την ίδια διεύθυνση και η ϕορά τους προσδιορίζεται µε τον ίδιο τρόπο. ΄Αρα δεν πρέπει να ξεχνάµε ότι η απόσταση r από τον άξονα περιστροφής είναι η κάθετη στο διάνυσµα της ταχύτητας (~ υ ), ακριβώς όπως και ο µοχλοβραχίονας µιας δύναµης στην περίπτωση της ϱοπής. ϐ) Στροφορµή Στερεού σώµατος. Ονοµάζουµε στροφορµή ενός στερεού σώµατος το οποίο περιστρέφεται γύρω από ένα άξονα περιστροϕής zz 0 , το διανυσµατικ�� άθροισµα των στροφορµών των στοιχειωδών µαζών που το αποτελούν, ως προς τον ίδιο άξονα. Θεωρούµε ένα στερεό που περιστρέφεται γύρω από το σταθερό άξονα zz 0 µε γωνιακή ταχύτητα ω ~ . Χωρίζουµε το σώµα σε στοιχειώδη τµήµατα µε µάζες m1 , m2 , ..., mν , τόσο µικρά που το καθένα µπορεί να ϑεωρηθεί υλικό σηµείο. Κατά την περιστροφή του σώµατος, οι στοιχειώσεις αυτές µάζες διαγράφουν κυκλικές τροχιές γύρω από τον άξονα zz 0 µε την ίδια γωνιακή ταχύτητα ω ~ και γραµµικές ταχύτητες υ1 = ωr1 , υ2 = ωr2 , ..., υν = ωrν . Οι στροφορµές των στοιχειωδών µαζών του σώµατος έχουν όλες την ίδια κατεύθυνση και µέτρο :

L1 = m1 ωr12 , 102

L2 = m2 ωr22 ,

... Lν = mν ωrν2


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Η στροφορµή του σώµατος είναι το άθροισµα των στροφορµών των στοιχειωδών µαζών που το αποτελούν. ∆ηλαδή :

L = L1 + L2 + ... + Lν ⇒ L = m1 ωr12 + m2 ωr22 + ... + mν ωrν2 ⇒ L = (m1 r12 + m2 r22 + ... + mν rν2 )ω ⇒ L = Iω όπου ϐέβαια I = m1 r12 + m2 r22 + ... + mν rν2 η ϱοπή αδράνειας του στερεού, ως προς τον άξονα περιστροφής zz 0 . Εποµένως : Η στροφορµή ενός στερεού σώµατος που περιστρέφεται γύρω από άξονα ~ , το οποίο έχει : είναι ένα διανυσµατικό µέγεθος L

ˆ διεύθυνση τη διεύθυνση του άξονα, ˆ ϕορά τη ϕορά που ορίζεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού ˆ µέτρο ίσο µε το γινόµενο της ϱοπής αδράνειας I του στερεού, ως προς τον άξονα περιστροφής, επό το µέτρο ω της γωνιακής ταχύτητας του στερεού. ∆ηλαδή :

L = Iω

(3.24)

Η σύµβαση για την αλγεβρική τιµή της στροφορµής είναι η ίδια µε εκείνη της ϱοπής. ΄Ετσι ϑεωρούµε ως ϑετική την αλγεβρική τιµή της στροφορµής, ενός σώµατος που στρέφεται αντίθετα προς την ϕορά των δεικτών του ϱολογιού και αρνητική όταν στρέφεται µε την ϕορά των δεικτών του ϱολογιού. Το σπίν : Η περιστροφή που µπορεί να κάνει ένα σώµα γύρω άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του έχει στροφορµή που την ονοµάζουµε ¨σπίν¨. Για παράδειγµα η γη έχει σπιν εξαιτίας της περιστροφής της γύρω από τον άξονα της και τροχιακή στροφορµή λόγω της περιστροφής της γύρω από τον ΄Ηλιο. Επίσης τα στοιχειώδη σωµατίδια, όπως το ηλεκτρόνιο έχουν σπιν συγκεκριµένου µέτρου που τα διακρίνει σε ϕερµιόνια και µποζονια (αλλά δεν µας αφορά σε αυτό το µάθηµα). γ) Στροφορµή συστήµατος σωµατιδίων Ονοµάζουµε στροφορµή ενός συστήµατος σωµάτων το διανυσµατικό άθροισµα των στροφορµών των σωµάτων που απαρτίζουν το σύστηµα. ~1 , L~2 , ..., L~ν ∆ηλαδή αν οι στροφορµές των σωµάτων που απαρτίζουν ένα σύστηµα είναι L ~ του συστήµατος είναι : τότε η στροφορµή L

~ = L~1 + L~2 + ... + L~ν L 103


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Γενικότερη διατύπωση του Θεµελιώδη Νόµου της στροφικής κίνησης Θεωρούµε ότι η ϱοπή αδράνειας ενός στερεού σώµατος που περιστρέφεται γύρω από σταθερό άξονα είναι σταθερή και ότι σε απειροστά µικρό χρόνο dt η γωνιακή ταχύτητα µεταβάλλεται κατά dω , οπότε από την σχέση (3.24) προκύπτει :

L = Iω ⇒ dL = Idω ⇒

dω dL dL =I = Iαγων ⇒ Στ = dt dt dt

΄Αρα : Το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών που δρουν σε ένα στερεό, το οποίο πεϱιστρέφεται γύρω από σταθερό άξονα, είναι ίσο µε την αλγεβρική τιµή του ϱυθµού µεταβολής της στροφορµής του. Η παραπάνω διατύπωση είναι γενικότερη της Στ = Iαγων , γιατί ισχύει ακόµα και όταν η ϱοπή αδράνειας δεν είναι σταθερή. Ο νόµος της στροφικής κίνησης σε σύστηµα σωµάτων Σε ένα σύστηµα σωµάτων το αλγεβρικό άθροισµα όλων των ϱοπών, δηλαδή εκείνων που οφείλονται σε εσωτερικές δυνάµεις καθώς και εκείνων που οφείλονται σε εσωτερικές δυνάµεις είναι ίσο µε την αλγεβρική τιµή του ϱυθµού µεταβολής της στροφορµής του συστήµατος. όµως η ϱοπή των εσωτερικών δυνάµεων είναι µηδενική. Σύµφωνα µε τον 3ο νόµο του Νεύτωνα, οι εσωτερικές δυνάµεις εµφανίζονται σε Ϲεύγη δράσης - αντίδρασης, οπότε οι ϱοπές τους αλληλοαναιρούνται και έτσι σε ένα σύστηµα σωµάτων ο ϑεµελιώδης νόµος της στροφικής κίνησης µπορεί να γραφτει :

Στξ =

dL dt

(3.25)

όπου ϐέβαια το Στξ είναι το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών των εξωτερικών δυνάµεων, ως προς κάποιο άξονα περιστροφής και L η στροφορµή του συστήµατος, ως προς τον ίδιο άξονα. Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 5.26 - 5.36, 5.60 - 5.63, 5.65, 5.67, 5.69, 5.70 - 5.72, 5.74, 5.76, 5.79, 5.83, 5.84, 5.86, 5.87

3.6.1

∆ιατήρηση της Στροφορµής

Αν στην γενικότερη διατύπωση του ϑεµελιώδη νόµου της στροφικής κίνησης ϑέσουµε Στ = 0 τότε :

Στ =

dL = 0 ⇒ L = στ αθ. dt

∆ηλαδή : Αν το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών των δυνάµεων που δρουν σε ένα στερεό σώµα (ως προς κάποιο άξονα) είναι µηδέν, η στροφορµή του σώµατος ( ως προς τον ίδιο άξονα) παραµένει σταθερή. 104


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Για ένα σύστηµα σωµάτων είναι προφανές ότι αν Στξ = 0 η στροφορµή του συστήµατος των σωµάτων ϑα παραµένει σταθερή. Μεταβολή της ϱοπής αδράνειας και διατήρηση της στροφορµής Θεωρούµε ότι το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών των εξωτερικών δυνάµεων που δρουν σε ένα περιστρεφόµενο σώµα είναι µηδέν. Αν, λόγω ανακατανοµής της µάζας µεταβληθεί η ϱοπή αδράνειας του σώµατος, ως προς τον άξονα περιστροφής του, τότε µεταβάλλεται και η γωνιακή του ταχύτητα, αλλά η στροφορµή του διατηρείται σταθεϱή. ∆ηλαδή :

~ αρχ = L ~ τ λ L

(3.26)

Αν το σώµα στρέφεται γύρω από έναν ακλόνητο άξονα περιστροφής ή γύρω από ένα νοητό άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του σώµατος και µετατοπίζεται παράλληλα προς τον εαυτό του τότε η παραπάνω σχέση είναι αλγεβρική. Αν I1 η αρχική ϱοπή αδράνειας και ω1 η αρχική γωνιακή ταχύτητα του σώµατος και I2 η τελική ϱοπή αδράνειας και ω2 η τελική γωνιακή ταχύτητα του σώµατος τότε από την Αρχή ∆ιατήρησης της Στροφορµής προκύπτει :

I1 ω1 = I2 ω2 Από την παραπάνω σχέση είναι προφανές ότι όταν µεταβάλλεται η ϱοπή αδράνειας ενός σώµατος ή ενός συστήµατος σωµάτων, τότε µεταβάλλεται και το µέτρο της γωνιακής ταχύτητας. Αυτό σηµαίνει ότι µπορούµε να έχουµε γωνιακή επιτάχυνση ενός σώµατος ακόµα και όταν το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών των εξωτερικών δυνάµεων είναι µηδέν. Το παράδειγµα του πατινάζ: Μια αθλήτρια του πατινάζ που στριφογυρίζει στο παγοδρόµιο, µπορεί συµπτύσσοντας τα χέρια και τα πόδια της να αύξηση την γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της. Λογικό γιατί αν ϑεωρήσουµε αµελητέες τις τριβές, τότε οι ϱοπή της µόνης εξωτερικής δύναµης που είναι το ϐάρος ϑα είναι µηδέν και η στροφορµή ϑα πρέπει να διατηρείται σταθερή, άρα αφού µειώνετε η ϱοπή αδράνειας ϑα αυξάνετε η γωνιακή ταχύτητα της. Το παράδειγµα των ¨νεκρών¨ άστρων : Τα αστέρια στο τελευταίο στάδιο της Ϲωής τους έχουν µάζα από 1,4 µέχρι 2,5 ϕορές την µάζα του ήλιου, µετατρέπονται σε αστέρες νετρονίων. Τα αστέρια αυτά, όταν εξαντλήσουν τα αποθέµατα ενέργειας τους, συρρικνώνονται λόγο της ϐαρύτητας, µε αποτέλεσµα η ακτίνα τους να είναι µόνο µερικές δεκάδες km. Επειδή η ϱοπή των εξωτερικών δυνάµεων κατά την διαδικασία αυτή είναι µηδέν, η στροφορµή του αστεριού ϑα παραµένει σταθερή. Η δραµατική µείωση της ϱοπής αδράνειας του αστεριού έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση της γωνιακής του ταχύτητας. Αξίζει να σηµειωθεί ότι ένας αστέρας νετρονίων έχει περίοδο περιστροφής 1 s, µε την περίοδο περιστροφής του ήλιου να είναι 25 µέρες. 3000 Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 5.1 - 5.25, 5.37 - 5.49, 5.93, 5.95 - 5.99, 5.101, 5.102, 5.105, 5.107, 5.108, 5.109, 5.111, 5.112 105


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

3.7

Κινητική Ενέργεια και ΄Εργο στην Στροφική Κίνηση

3.7.1

Κινητική Ενέργεια λόγω µεταφορικής Κίνησης

Θεωρούµε ένα σώµα µάζας M που εκτελεί µεταφορική κίνηση µε ταχύτητα ~ υ . Για να υπολογίσουµε την κινητική ενέργεια του σώµατος, το χωρίζουµε σε στοιχειώδης µάζες m1 , m2 , ..., mν που λόγω της µεταφορικής κίνησης έχουν όλες την ίδια ταχύτητα ~υ . Η κινητική ενέργεια του σώµατος είναι ίση µε το άθροισµα των κινητικών ενεργειών των µαζών από τις οποίες αποτελείται. ∆ηλαδή :

1 1 1 1 K = m1 υ 2 + m2 υ 2 + ... + mν υ 2 ⇒ K = M υ 2 2 2 2 2

(3.27)

Η παραπάνω σχέση είναι προφανώς η γνωστή σχέση για την Κινητική Ενέργεια που µάθαµε στην Α Λυκείου, η οποία ϐέβαια αναφέρονταν στην µεταφορική κίνηση υλικού σηµείου.

3.7.2

Κινητική Ενέργεια λόγω περιστροφής

Θεωρούµε ένα σώµα που στρέφεται µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω ~ γύρω από άξονα 0 zz , όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Για να υπολογίσουµε την Κινητική Ενέργεια του σώµατος, ϑα το χωρίσουµε σε στοιχειώδεις µάζες m1 , m2 , ..., mν , οι οποίες απέχουν αποστάσεις r1 , r2 , ..., rν , αντίστοιχα από τον άξονα περιστροφής. Οι µάζες αυτές έχουν την ίδια γωνιακή ταχύτητα ω ~ και γραµµικές ταχύτητες µε µέτρα υ1 = ωr1 , υ2 = ωr2 , ..., υν = ωrν . Η κινητική ενέργεια του σώµατος είναι ίση µε το άθροισµα των κινητικών ενεργειών των µαζών από τις οποίες αποτελείται. ∆ηλαδη :

1 1 1 m1 υ 2 + m2 υ 2 + ... + mν υ 2 ⇒ (3.28) 2 2 2 1 1 1 K = m1 ω 2 r12 + m2 ω 2 r22 + ... + mν ω 2 rν2 ⇒ 2 2 2 1 1 K = (m1 r12 + m2 r22 + ... + mν rν2 )ω 2 ⇒ K = Iω 2 2 2 K =

3.7.3

Κινητική Ενέργεια σώµατος που εκτελεί σύνθετη κίνηση

Αν ένα σώµα εκτελεί ταυτόχρονα µεταφορική κίνηση µε ταχύτητα υ~cm και στροφική κίνηση µε γωνιακή ταχύτητα ω ~ . Η κινητική ενέργεια του σώµατος αυτού ϑα είναι το άθροισµα των δύο κινητικών ενεργειών. ∆ηλαδή :

1 1 2 K = Kµτ + Kπρ = M υcm + Icm ω 2 2 2 106

(3.29)


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου όπου M η µάζα του σώµατος και Icm η ϱοπή αδράνειας του σώµατος, ως προς άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του και έχει την ίδια διεύθυνση µε τη γωνιακή ταχύτητα.

3.7.4

΄Εργο κατά την στροφική κίνηση

~ που µετακινεί Στην Φυσική Α Λυκείου µάθαµε ότι το έργο µιας σταθερής δύναµης F ~ · ∆x ~ . Αντίστοιχα το σηµείο εφαρµογής κατά ∆x υπολογίζεται από την σχέση W = F µπορούµε να ορίσουµε το έργο µιας δύναµης που περιστρέφει ένα σώµα ως συνάρτησ�� της ϱοπής και της γωνίας στροφής. Αν υποθέσουµε ότι σε ένα τροχό ακτίνας R, που µποϱεί να περιστρέφεται γύρω από άξονα που διέρχεται από ~ σταθετο κέντρο του, ασκείτε µια εφαπτοµενική δύναµη F ϱού µέτρου. ΄Οταν ο τροχός στρέφεται κατά την απειροστά µικρή γωνία dθ ,τότε το σηµείο εφαρµογής της δύναµης µετατοπίζεται κατά το αντίστοιχο απειροστά µικρό µήκος ds = Rdθ. Επειδή η δύναµη και το απειροστό τόξο ds έχουν ϑεωρητικά την ίδια διεύθυνση µπορούµε να υπολογίσουµε το στοιχειώδες έργο από την σχέση : W = F ds ⇒ dW = F Rdθ Επειδή όµως τ = F R είναι το µέτρο της ϱοπής της δύναµης ως προς τον άξονα περιστροφής η παραπάνω σχέση γράφεται :

dW = τ dθ

(3.30)

΄Οταν µια δύναµη περιστρέφει ένα σώµα κατά γωνία θ , τότε για να υπολογίσουµε το έργο W της δύναµης , χωρίζουµε την γωνία σε απειροστές γωνίες dθ και αθροίζουµε τα αντίστοιχα στοιχειώδη έργα dW . Αν γ ϱοπή της δύναµης έχει σταθερό µέτρο ίσο µε τ τότε το έργο της υπολογίζεται από την σχέση :

W = τθ

(3.31)

Το έργο W µια ϱοπής µπορεί να είναι ϑετική ή αρνητικό. Θετικό είναι όταν η ϱοπή έχει την ίδια ϕορά µε την ϕορά περιστροφής του σώµατος και αρνητικό όταν η ϱοπή έχει ϕορά αντίθετη από την ϕορά περιστροφής.

3.7.5

Ισχύς δύναµης στη στροφική κίνηση

΄Εστω ότι ένα σώµα που εκτελεί στροφική κίνηση δέχεται την επίδραση µιας εξωτερικής ~ , της οποίας η ϱοπή ως προς άξονα περιστροφής του σώµατος έχει µέτρο δύναµης F τ . Αν σε ένα απειροστά µικρό χρονικό διάστηµα dt το σώµα περιστρέφεται κατά απειροστή γωνία dθ , τότε η δύναµη παράγει έργο dW :

dW = τ dθ ⇒

dθ dW =τ dt dt 107


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου είναι το µέγεθος της στιγΕίναι προφανές ότι ο ϱυθµός µεταβολής του έργου dW dt µιαίας ισχύος (P ) και ϐέβαια ο ϱυθµός µεταβολής της γωνίας στροφής είναι η γωνιακή ταχύτητα. Εποµένως η ισχυς µιας δύναµης σε µια χρονική στιγµή t είναι :

P = τω

(3.32)

Στο S.I. η µονάδα µέτρησης της ισχύος είναι το 1W att. Αξίζει να σηµειωθεί ότι στην µεταφορική κίνηση η στιγµιαία ισχύς δίνεται από την σχέση :

P = F υ. Η µέση ισχύς P¯ µιας δύναµης ή της ϱοπής µιας δύναµης ονοµάζεται το πηλίκο του έργου ∆W , το οποίο παράγεται από την δύναµη ή τη ϱοπή της δύναµης σε χρόνο ∆t, προς το χρόνο ∆t.

∆W P¯ = ∆t

3.7.6

(3.33)

Θεώρηµα ΄Εργου- Ενέργειας στη στροφική κίνηση

Από τον ϑεµελιώδη νόµο της στροφικής κίνησης προκύπτει ότι, όταν σε ένα σώµα που στρέφεται γύρω από σταθερό άξονα ασκούνται εξωτερικές ϱοπές µε Στ 6= 0, τότε το σώµα αποκτά γωνιακή επιτάχυνση µε αποτέλεσµα την µεταβολή της γωνιακής του ταχύτητας ω και κατά συνέπεια και της κινητικής ενέργειας περιστροφής της K = 31 Iω 2 . Η µεταβολή της Κινητικής ενέργειας περιστροφής του σώµατος ειναι ίση µε το έργο των δυνάµεων που οι ϱοπές τους προκαλούν την µεταβολή. ΄Ετσι για την περίπτωση ενός στερεού σώµατος που στρέφεται γύρω από σταθερό άξονα το γνωστό µας από την Α Λυκείου Θεώρηµα ΄Εργου - Ενέργειας (Θ.Μ.Κ.Ε.) γράφεται :

1 1 K2 − K1 = ΣW ⇒ Iω22 − Iω12 = ΣW 2 2

(3.34)

Το έργο της στατικής τριβής κατά την κύλιση χωρίς ολίσθηση ΄Οπως έχουµε ξαναδεί παραπάνω στο πρόβληµα της κύλισης χωρίς ολίσθηση σε οϱιζόντιο ή κεκλιµένο επίπεδο εµφανίζεται η δύναµη της στατικής τριβής στο σηµείο επαφής του στερεού µε το δάπεδο. Το έργο της στατικής τριβής κατά την σύνϑετη κίνηση του στερεού είναι ίσο µε µηδέν. Η στατική τριβή δεν µετατοπίζει το σηµείο εφαρµογής της, αφού κάθε στιγµή ασκείται σε διαφορετικό σηµείο, έτσι έχει έργο µηδέν. Βέβαια η απάντηση δεν είναι τόσο προφανής όσο το σχολικό ϐιβλίο την εµφανίζει. Αν ϑεωρήσουµε ότι σε χρόνο ∆t το κέντρο µάζας του κυλίνδρου µετατοπίζεται κατά ∆x πάνω σε κεκλιµένο επίπεδο γωνίας κλίσης φ και ο κύλινδρος στρέφεται γύρω από τον άξονα συµµετρίας του κατά ∆θ , χωρίς ολίσθηση τότε ισχύει :

∆x = R∆θ 108


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Το έργο της στατικής τριβής κατά την περιστροφή γύρω από τον άξονα περιστροφής είναι ίσο µε την αντίστοιχη µεταβολή της κινητικής ενέργειας λόγω της περιστροφικής κίνησης σύµφωνα µε το Θεώρηµα ΄Εργου - Ενέργειας στην στροφική κίνηση.΄Αρα έχουµε :

∆Kπρ = ΣW = (Tστ R)∆θ Το έργο της στατικής τριβής µαζί µε το έργο του ϐάρους κατά την µεταφορική κίνηση του κέντρου µάζας είναι ίσο µε την µεταβολή της κινητικής ενέργειας λόγω της µεταφορικής κίνησης Θεώρηµα ΄Εργου - Ενέργειας στην µεταφορική κίνηση. ΄Αρα έχουµε :

∆Kµτ = ΣW = Wx ∆x − Tστ ∆x ⇒ ∆Kµτ = ΣW = Wx ∆x − Tστ R∆θ Η µεταβολή της Κινητικής ενέργειας λόγω της σύνθετης κίνησης προκύπτει από την σχέση :

∆Kπρ + ∆Kµτ = Tστ R∆θ + Wx ∆x − Tστ R∆θ ⇒ ∆K = Wx ∆x Από τα παραπάνω προκύπτουν τα εξής συµπεράσµατα :

ˆ Το έργο της στατικής τριβής κατά τη στροφική κίνηση είναι αντίθετο µε το έργο της ίδιας δύναµης κατά την µεταφορική κίνηση, στον ίδιο χρόνο ∆t. ∆ηλαδή το συνολικό έργο της στατικής τριβής είναι µηδέν.

ˆ Μπορούµε να εφαρµόσουµε την Αρχή ∆ιατήρησης της Μηχανικής Ενέργειας (Α.∆.Μ.Ε.), αφού η µόνη δύναµη που παράγει έργο είναι το ϐάρος που είναι µια συντηρητική δύναµη.

3.7.7

Η ∆ιατήρηση της Μηχανικής Ενέργειας

Η Α.∆.Μ.Ε. σε ένα σύστηµα ή ένα σύστηµα σωµάτων εφαρµόζεται όταν οι δυνάµεις που ασκούνται και παράγουν έργο είναι συντηρητικές δυνάµεις ( π.χ. ϐάρος, δύναµη ελατηρίου). Στην γενική περίπτωση που ένα στερεό εκτελεί σύνθετη κίνηση πρέπει :

Eµηχ = Kµτ + Kπρ + Uβαρ = στ αθρo

(3.35)

Βέβαια πριν την εφαρµογή της παραπάνω σχέσης, πρέπει να επιλέξουµε ένα οριϹόντιο επίπεδο ως επίπεδο αναφοράς (Uβαρ = 0). Συνήθως επιλέγουµε το χαµηλότερο σηµείο από το οποίο διέρχεται το κέντρο µάζας κατά την κίνηση. Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 6.1 - 6.62, 6.90, 6.92, 6.93, 6.114, 6.116, 6.117, 6.118, 6.120. 6.121, 6.122, 6.123, 6.124, 6.125, 6.127, 6.130, 6.131, 6.132, 6.133, 6.136, 6.137, 6.139, 6.141, 6.143, 6.144, 6.145, 6.148, 6.149, 6.152, 6.155, 6.161, 6.167, 6.171, 6.172, 6.146, 6.147, 6.153, 6.156, 6.159, 6.160, 6.163, 6.164, 6.165, 6.166, 6.170, 6.174 109


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Αντιστοίχιση µεγεθών και νόµων µεταξύ µεταφορικής και στροϕικής κίνησης Μεταφορική Κίνηση Μετατόπιση : x Ταχύτητα : υ = dx dt Επιτάχυνση : α = dυ dt

Στροφική Κίνηση Γωνία στροφής : θ Γωνιακή ταχύτητα : ω = dω dt Γωνιακή επιτάχυνση : αγων =

dω dt

~ ∆ύναµη : F Μάζα : m Θεµελιώδης Νόµος της Μηχανικής :

Ροπή ∆ύναµης : ~ τ Ροπή Αδράνειας : I Θεµελιώδης Νόµος Στροφικής Κίνησης :

ΣF~ = m~ α ~ = m~υ Ορµή P ~ ΣF~ = ddtP

Στ = Iαγων

∆ιατήρηση της Ορµής : ~ =σταθ. Αν ΣF~ξ = 0, τότε : P ΄Εργο σταθερής δύναµης :

∆ιατήρηση της Στροφορµής : Αν Στξ = 0, τότε : L =σταθ. ΄Εργο σταθερής ϱοπής

W = Fx

W = τθ

Ισχύς δύναµης :

Ισχύς ϱοπής :

P = Fυ

P = τω

Κινητική Ενέργεια µεταφοράς :

Κινητική Ενέργεια περιστροφής :

2 K = 12 mυcm

K = 12 Iω 2

Θεώρηµα ΄Εργου - Ενέργειας στη µεταφορική κίνηση :

Θεώρηµα ΄Εργου Ενέργειας στη στροφική κίνηση :

ΣW = 12 mυ22 − 12 mυ12

ΣW = 12 Iω22 − 12 Iω12

Στροφορµή L = Iω

Στ =

dL dt

Είναι προφανές από τον παραπάνω πίνακα ότι µε την µηχανική στερεού σώµατος ¨ξαναγράψαµε¨ την µηχανική του υλικού σηµείου που µελετήσαµε στην Α Λυκείου µε µια νέα γλώσσα. Οι µαθηµατικές σχέσεις δείχνουν µια απόλυτα ¨συµµετρική¨ εικόνα ανάµεσα στις δύο κινήσεις. Βέβαια αυτή την ϕορά έχουµε όλα τα ¨εργαλεία¨ για µια περισσότερο ϱεαλιστική εικόνα της κίνησης σε σχέση µε την µηχανική του υλικού σηµείου.

110


Κεφάλαιο 4 Κρούσεις Στην µηχανική µε τον όρο κρούση εννοούµε τη σύγκρουση δύο σωµάτων που κινούνται το ένα σχετικά µε το άλλο.Το ϕαινόµενο της κρούσης έχει δύο χαρακτηριστικά :

ˆ ΄Εχει πολύ µικρή χρονική διάρκεια. ˆ Κατά τη διάρκεια της επαφής των δύο σωµάτων αναπτύσσονται πολύ ισχυρές δυνάµεις, ισχυρότερες από όλες τις άλλες που µπορεί να ασκούνται στα σώµατα (π.χ. ϐαρύτητα). Οι δυνάµεις αυτές έχουν σχέση ¨δράσης - αντίδρασης¨ και το µέτρο τους µεταβάλλεται κατά την διάρκεια της κρούσης. Στην ατοµική και πυρηνική ϕυσική η έννοια της κρούσης επεκτείνεται, ώστε να περιλαµβάνει και την αλληλεπίδραση µεταξύ σωµατιδίων τα οποία δεν έρχονται σε επαϕή. Για παράδειγµα η εκτόξευση ενός ηλεκτρονίου προς ένα ϕορτισµένο σωµατίδιο, έχει ως αποτέλεσµα την απότοµη αλλαγή της κινητικής κατάστασης των σωµατιδίων, τα οποία αν και δεν έρχονται σε επαφή, εµφανίζουν τα χαρακτηριστικά της κρούσης. Ονοµάζουµε κρούση κάθε ϕαινόµενο και του µικρόκοσµου, στο οποίο δύο σώµατα αλληλεπιδρούν µε σχετικά µεγάλες δυνάµεις για πολύ µικρό χρονικό διάστηµα. Στην σύγχρονη ϕυσική το παραπάνω ϕαινόµενο ονοµάζεται και σκέδαση.

4.1

Τα είδη της κρούσης, ανάλογα µε την διεύθυνση κίνησης των σωµάτων πριν συγκρουστούν.

(α΄) Κεντρική

(ϐ΄) ΄Εκκεντρη

(γ΄) Πλάγια

ˆ Κεντρική ή µετωπική κρούση ονοµάζεται η κρούση, στην οποία τα διανύσµατα των ταχυτήτων των κέντρων µάζας των σωµάτων που συγκρούονται ϐρίσκονται πάνω στην ευθεία που συνδέει τα κέντρα µάζας τους.


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ˆ ΄Εκκεντρη ονοµάζεται η κρούση στην οποία τα διανύσµατα των ταχυτήτων των κέντρων µάζας των σωµάτων που συγκρούονται είναι παράλληλα µεταξύ τους.

ˆ Πλάγια ονοµάζεται η κρούση στην οποία τα διανύσµατα των ταχυτήτων των κέντρων µάζας των σωµάτων που συγκρούονται δεν έχουν την ίδια διεύθυνση.

Η διατήρηση της ορµής στις κρούσεις Επειδή κατά την διάρκεια της κρούσης δεν ασκούνται εξωτερικές δυνάµεις στα σώµατα ή η συνισταµένη τους είναι µηδέν ϑεωρούµε το σύστηµα των σωµάτων µονωµένο. ΄Αρα :

ΣF~ξ =

dP~oλ = 0 ⇒ P~oλ = στ αθ ⇒ P~oλ(πριν) = P~oλ(µτ α) dt

Η ολική ορµή ενός συστήµατος σωµάτων, κατά την διάρκεια της κρούσης διατηρείται.

4.2

Τα είδη της κρούσης ανάλογα µε την διατήρηση της κινητικής ενέργειας των συγκρουόµενων σωµάτων.

Σε αντίθεση µε την Ορµή που παραµένει σταθερή σε όλες τις περιπτώσεις κρούσεων που ϑα µελετήσουµε, δεν συµβαίνει το ίδιο µε την µηχανική ενέργεια του συστήµατος των σωµάτων. Σε κάθε κρούση υπάρχουν δύο ϐασικά στάδια : Στο πρώτο στάδιο τα σώµατα έρχονται σε επαφή µεταξύ τους και αρχίζουν να παϱαµορφώνονται, µέχρι να αποκτήσουν κοινή στιγµιαία ταχύτητα. Η απαιτούµενη ενέργεια για την παραµόρφωση τους προέρχεται από την αρχική τους µηχανική ενέργεια. Επειδή η κρούση γίνεται σε µικρό χρονικό διάστηµα, ϑεωρούµε ότι τα σώµατα δεν αλλάζουν ϑέση, άρα δεν µεταβάλλεται η Βαρυτική δυναµική τους ενέργεια, παρά µόνο η κινητική τους. Στο δεύτερο στάδιο, ανάλογα µε την ϕύση των σωµάτων που παραµορφώνονται η κρούση διακρίνεται σε ελαστική ή σε ανελαστική. Ελαστική Κρούση Η παραµόρφωση εξαφανίζεται και το σύστηµα αποκτά πάλι την κινητική ενέργεια που είχε πριν την κρούση. Η αιτία είναι οι ϕύση των δυνάµεων που ασκούνται στα σώµατα κατά την διάρκεια της κρούσης, καθώς είναι ελαστικές δυνάµεις δεν προκαλούν µόνιµες παραµορφώσεις. ΄Αρα η κρούση στην οποία η Κινητική Ενέργεια του συστήµατος των σωµάτων παραµένει σταθερή ονοµάζεται ελαστική Η διατύπωση της ∆ιατήρηση της Κινητικής ενέργειας κατά την ελαστική κρούση διατυπώνεται ως εξής :

Koλ(πριν) = Koλ(µτ α) 112


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Η ελαστική κρούση είναι ιδανική περίπτωση, αλλά µπορούµε να ϑεωρήσουµε ελαστικές τις κρούσεις ανάµεσα σε σκληρά σώµατα ( π.χ. µπάλες µπιλιάρδου). Στην περίπτωση όµως του µικρόκοσµου οι κρούσεις (σκεδάσεις) είναι απόλυτα ελαστικές. Ανελαστική Κρούση Η παραµόρφωση των σωµάτων δεν εξαφανίζεται τελείως και ένα µέρος της αρχικής Κινητικής ενέργειας που δαπανήθηκε για την παραµόρφωση δεν γίνεται πάλι Κινητική ενέργεια, αλλά ϑερµότητα ή ενέργεια µόνιµης παραµόρφωσης. Η αιτία είναι πάλι η ϕύση των δυνάµεων που ασκούνται στα σώµατα, καθώς είναι δυνάµεις που προκαλούν µόνιµες παραµορφώσεις. ΄Αρα η κρούση στην οποία µέρος της Κινητικής Ενέργειας του συστήµατος των σωµάτων µετατρέπεται σε ϑερµότητα ονοµάζεται ανελαστική κρούση Μια ειδική περίπτωση ανελαστικής κρούσης είναι εκείνη κατά την οποία τα σώµατα µετά την κρούση γίνονται συσσωµάτωµα και κινούνται µε κοινή ταχύτητα. Η κρούση αυτή λέγεται πλαστική και έχει µελετηθεί στην Α Λυκείου. Η διατύπωση της διατήρησης της ενέργειας κατά την ανελαστική κρούση διατυπώνεται ως εξής :

Koλ(πριν) − Eαπωλ = Koλ(µτ α) ⇒ Koλ(πριν) > Koλ(µτ α) όπου ϐέβαια Eαπωλ είναι οι ενεργειακές απώλειες σε ϑερµότητα και ανελαστικές παραµορφώσεις.

4.2.1

Η κεντρική Ελαστική κρούση

Θεωρούµε δύο υλικά Σώµατα µε µάζες m1 και m2 , που κινούνται σε οριζόντιο λείο επίπεδο µε ταχύτητας ~ υ1 και ~υ2 . Τα σώµατα συγκρούονται κεντρικά και ελαστικά και µετά την κρούση απο~0 1 και υ~0 2 , τις οποίες ϑέλουκτούν νέες ταχύτητες υ µε να υπολογίσουµε. Ο υπολογισµός είναι απλός αρκεί να χρησιµοποιήσουµε τις ϐασικές ιδέες αρχές που αναπτύχθηκαν παραπάνω. ∆ιατήρηση της Ορµής

P~oλ(πριν) = P~oλ(µτ α) ⇒ m1 υ1 + m2 υ2 = m1 υ10 + m2 υ20

(4.1)

προσέχουµε το πρόσηµο των ταχυτήτων γιατί δεν ξεχνάµε τον διανυσµατικό χαρακτήρα της σχέσης µας. ∆ιατήρηση της Κινητικής Ενέργειας

1 1 1 1 2 2 Koλ(πριν) = Koλ(µτ α) ⇒ m1 υ12 + m2 υ22 = m1 υ10 + m2 υ20 2 2 2 2

(4.2) 113


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Η εξίσωση (4.1) γράφεται :

m1 (υ1 − υ10 ) = m2 (υ20 − υ2 ) Η εξίσωση (4.2) γράφεται : 2

2

m1 (υ12 − υ10 ) = m2 (υ20 − υ22 ) ∆ιαιρούµε κατα µέλη τις παραπάνω σχέσεις :

υ20 − υ2 υ1 − υ10 = υ12 − υ10 2 υ20 2 − υ22 και προκύπτει εύκολα ότι υ1 + υ10 = υ20 + υ2 ⇒ υ20 = υ1 + υ10 − υ2 Αντικαθιστώντας στην (4.1) και λύνοντας ως προς υ10 ϐρίσκουµε τις ταχύτητες των σωµάτων µετά την κρούση.

υ10 =

m1 − m2 2m1 υ1 + υ2 m1 + m2 m1 + m2

(4.3)

υ20 =

2m1 m2 − m1 υ1 + υ2 m1 + m2 m1 + m2

(4.4)

Βέβαια κατά τον υπολογισµό µας υποθέσαµε µια συγκεκριµένη ϕορά για τις ταχύτητες πριν και µετά την κρούση, είναι προφανές ότι σε περίπτωση αντίθετης ϕοράς από την παραπάνω οι σχέσεις µας οδηγούν σε αρνητικές τιµές για τις ταχύτητες.Οι παραπάνω σχέσεις δεν είναι τόσο εύκολο να αποµνηµονευτούν, αλλά είναι ευκολότερο να αποδειχθούν από τις ϐασικές αρχές ! Ειδικές περιπτώσεις α. Τα δύο σώµατα έχουν ίσες µάζας m1 = m2 = m Από τις παραπάνω σχέσεις (4.3),(4.4) µε αντικατάσταση των µαζών προκύπτει :

υ10 = υ2

και

υ20 = υ1

∆ηλαδή, κατά την κεντρική ελαστική κρούση δύο σωµάτων που έχουν ίσες µάζες, τα σώµατα ανταλλάσσουν τις ταχύτητες τους. Βέβαια στο παραπάνω συµπέρασµα µπορούµε να καταλήξουµε αν ξεκινήσουµε από την Αρχή ∆ιατήρησης της Ορµής και την ∆ιατήρηση της Ενέργειας, όπως κάναµε παραπάνω. ϐ.

Το ένα σώµα είναι ακίνητο πριν την κρούση (υ2 = 0) Από τις σχέσεις (4.3),(4.4) προκύπτει :

υ10 = 114

m1 − m2 υ1 m1 + m2

(4.5)


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

υ20 =

2m1 υ1 m1 + m2

(4.6)

Βέβαια στην περίπτωση που έχουν και ίσες µάζες και το ένα σώµα είναι ακίνητο, τότε το αρχικά κινούµενο σταµατάει µετά την κρούση (υ10 = 0) και το αρχικά ακίνητο σώµα αποκτά ταχύτητα υ20 = υ1

Ελαστική Κρούση σώµατος µε άλλο ακίνητο πολύ µεγάλης µάζας Αν το ένα σώµα έχει πολύ µεγαλύτερη µάζα σε σχέση µε το άλλο (m1 << m2 ) και είναι ακίνητο πριν την κρούση (υ2 = 0) τότε : m1 ∼ m1 << 1 ή m m1 << m2 ή m = 0. 2 2 άρα οι παραπάνω σχέσεις µας δίνουν :

υ10 ∼ = −υ1

και

υ20 ∼ =0

∆ηλαδή : ένα σώµα µικρής µάζας που συγκρούεται κεντρικά και ελαστικά µε ακίνητο σώµα πολύ µεγαλύτερης µάζας αντανακλάται µε ταχύτητα ίδιου µέτρου και αντίθετης ϕοράς από αυτή που είχε πριν την κρούση. Το σώµα µεγάλης µάζας µένει πρακτικά ακίνητο. Σύµφωνα µε τα παραπάνω, όταν ένα σώµα µικρής µάζας προσκρούει ελαστικά και κάθετα στην επιφάνεια ενός τοίχου ή σε ένα δάπεδο, τότε ανακλάται µε ταχύτητα ίδιου µέτρου και αντίθετης ϕοράς. ΄Αν το σώµα προσκρούει ελαστικά και πλάγια σε ένα τοίχο µε ταχύτητα υ , αναλύουµε την ταχύτητα του σε δύο συνιστώσες, µια κάθετη στον τοίχο και µια παράλληλη σε αυτόν, όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Σύµφωνα µε τα παραπάνω η κάθετη συνιστώσα στον τοίχο ϑα αλλάξει ϕορά και ϑα διατηρήσει το µέτρο της (υ 0 x = −υx ). Η παράλληλη στον τοίχο συνιστώσα δεν µεταβάλλεται (υ 0 yq= −υy ). ΄Αρα το µέτρο της ταχύτητας του σώµατος µετά την κρούση υ 0 ϑα είναι υ 0 =

υ 0 2x + υ 0 2y .

΄Αρα σύµφωνα µε τα παραπάνω, το µέτρο της ταχύτητας παραµένει σταθερό :

υ0 = υ Στο ίδιο συµπέρασµα µπορούµε να ϕτάσουµε ϐέβαια και µε την ∆ιατήρηση της Κινητικής Ενέργειας κατά την κρούση.

1 1 2 mυ 2 = mυ 0 ⇒ υ 0 = υ 2 2 115


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Αν θpi και θα οι γωνίες που σχηµατίζουν µε την κάθετη στον τοίχο οι ταχύτητες του σώµατος πριν και µετά την κρούση τότε ισχύει :

ηµθπ =

υy υ

συνθα =

υy0 υ0

επειδή υy = υy0 και υ = υ 0 προκύπτει ότι η γωνία πρόσπτωσης στον τοίχο ειναι ίση µε την γωνία ανάκλασης από αυτόν. θπ = θα (4.7) Το αποτέλεσµα είναι παρόµοιο µε την νόµο της ανάκλασης για το ϕως που προσπίπτει πάνω σε ένα καθρέπτη. Απόλυτα συµβατό ϐέβαια µε την σωµατιδιακή ϕύση του ϕωτός, αρκεί να ϕανταστούµε ότι τα ϕωτόνια συµπεριφέρονται ως σωµατίδια και ανακλώνται όπως το παραπάνω σωµατίδιο.

4.2.2

Η Κεντρική Ανελαστική κρούση

ϑεωρούµε τώρα δύο υλικά σώµατα µε µάζες m1 και m2 που κινούνται πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο µε ταχύτητες ~ υ1 και ~υ2 . Τα σώµατα συγκρούονται κεντρικά και µετά ~0 1 και υ~0 2 . την κρούση κινούνται µε ταχύτητες υ ∆ιατήρηση της Ορµής

P~oλ(πριν) = P~oλ(µτ α) ⇒ m1 υ1 + m2 υ2 = m1 υ10 + m2 υ20 προσέχουµε το πρόσηµο των ταχυτήτων γιατί δεν ξεχνάµε τον διανυσµατικό χαρακτήρα της σχέσης µας. ∆ιατήρηση της Ενέργειας

1 1 1 1 2 2 Koλ(πριν) − Eαπωλ = Koλ(µτ α) ⇒ m1 υ12 + m2 υ22 − Eαπωλ = m1 υ10 + m2 υ20 2 2 2 2 όπου ϐέβαια Eαπωλ είναι οι απώλειες λόγω των ανελαστικών ϕαινοµένων. Αν µετά την κρούση τα δύο σώµατα δηµιουργήσουν ένα συσσωµάτωµα που έχει µια ταχύτητα V~ ,η ανελαστική κρούση ονοµάζεται Πλαστική. Σε µια πλαστική κρούση είναι επίσης προφανές ότι έχουµε απώλειες της ενέργειας σε ενέργεια πλαστικής παραµόρφωσης και ϑερµότητα. Το πρόβληµα αυτό έχει µελετηθεί στην Α Λυκείου.

4.2.3

Η Πλάγια ελαστική κρούση

Στην περίπτωση που τα σώµατα δεν συγκρούονται κεντρικά, αλλά έκκεντρα ή πλάγια τότε ϑα αποκτούν νέες ταχύτητες µε διευθύνσεις πάνω στο επίπεδο. Ας ϑεωρήσουµε για παράδειγµα δυο υλικά σώµατα µε µάζες m1 και m2 µε το δεύτερο να είναι αρχικά α~0 1 και υ~0 2 . Αναλύουµε κίνητο. Μετά την κρούση τα σώµατα ϑα κινηθούν µε ταχύτητες υ τις ταχύτητες σε κατάλληλες συνιστώσες και προχωράµε στην εφαρµογή των ϐασικών αρχών. 116


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

∆ιατήρηση της Ορµής στον άξονα x0 Ox 0 0 Poλ(πριν)(x) = Poλ(µτ α)(x) ⇒ m1 υ1 = m1 υ1x + m2 υ2x

∆ιατήρηση της Ορµής στον άξονα y 0 Oy 0 0 Poλ(πριν)(y) = Poλ(µτ α)(y) ⇒ m1 υ1 = m1 υ1y − m2 υ2y

∆ιατήρηση της Κινητικής Ενέργειας

1 1 1 1 2 2 Koλ(πριν) = Koλ(µτ α) ⇒ m1 υ12 + m2 υ22 = m1 υ10 + m2 υ20 2 2 2 2 Σε αυτή την περίπτωση προκύπτει ένα σύστηµα τριών εξισώσεων, αλλά µε 4 αγνώστους καθώς είναι άγνωστη η κατεύθυνση και το µέτρο των ταχυτήτων µετά την κρούση. Μπορούµε ϐέβαια να λύσουµε το πρόβληµα εφόσον µας είναι γνωστό ένα ακόµα µέγεθος ( για παράδειγµα µια γωνία). Το πρόβληµα της πλάγιας πλαστικής κρούσης λύνεται πάλι µε την διατήρηση της ορµής σε κάθε άξονα. ∆εν ξεχνάµε ϐέβαια ότι σε αυτή την περίπτωση δεν διατηρείτε σταθερή η Κινητική Ενέργεια του συστήµατος των σωµάτων.

4.3

∆υναµική Ενέργεια µέγιστης ελαστικής παραµόρϕωσης

΄Οταν τα δύο σηµειακά σώµατα συγκρούονται κεντρικά και ελαστικά, τότε κάποια στιγµή t, κατά την διάρκεια της επαφής τους, οι ταχύτητες των δύο σφαιρών γίνονται ίσες (κατά µέτρο και κατεύθυνση) και η παραµόρφωση των σωµάτων είναι η µέγιστη δυνατή. ~ τότε ονοµάζουµε Umax την Αν υποθέσουµε ότι η κοινή ταχύτητα τους είναι η V µέγιστη ενέργεια ελαστικής παραµόρφωσης τους. Για να την υπολογίσουµε αρκεί να εφαρµόσουµε την Αρχή ∆ιατήρησης της Ορµής και την Αρχή ∆ιατήρησης της Ενέργειας για την χρονική στιγµή αυτή. Από την διατήρηση της ορµής προκύπτει :

m1 υ1 + m2 υ2 P~oλ(πριν) = P~oλ(t) ⇒ m1 υ1 + m2 υ2 = m1 V + m2 V ⇒ V = m1 + m2 Από την διατήρηση της ενέργειας προκύπτει :

1 1 1 1 Koλ(πριν) = Koλ(t) + Umax ⇒ m1 υ12 + m2 υ22 = m1 V 2 + m2 V 2 + Umax 2 2 2 2 ΄Αρα υπολογίζω την Umax η οποία στην συνέχεια ϑα µετατραπεί πάλι σε Κινητική Ενέργεια καθώς στην ελαστική κρούση η Κινητική Ενέργεια του συστήµατος παραµένει σταθερή. 117


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 8.1 - 8.76, 8.102, 8.103, 8.104, 8.106, 8.118, 8.119, 8.121, 8.126,8.127, 8.130, 8.131, 8.133, 8.134, 8.136, 8.139, 8.143, 8.144, 8.146, 8.149, 8.151, 8.154, 8.156, 8.164, 8.168, 8.170, 8.173, 8.174

118


Κεφάλαιο 5 Φαινόµενο Ντόµπλερ(Doppler) Στεκόµαστε ακίνητοι στην αποβάθρα ενός σταθµού. ΄Ενα τραίνο µε ανοικτή τη σειρήνα του, κινούµενο µε σταθερή ταχύτητα µας πλησιάζει και στη συνέχεια µας προσπερνά. ΄Ολοι µας έχουµε παρατηρήσει ότι ο ήχος που αντιλαµβανόµαστε κατά την διάρκεια της κίνησης του τραίνου δεν είναι ο ίδιος. Πιο συγκεκριµένα, καθώς το τραίνο µας πλησιάζει ο ήχος της σειρήνας είναι οξύτεϱος από ό,τι όταν το τραίνο αποµακρύνεται από εµάς, αφού µας έχει προσπεράσει. Η οξύτητα ενός ήχου εκφράζεται ¨αντικειµενικά¨ µε την συχνότητα. ΄Οσο µεγαλύτερη η οξύτητα του ήχου τόσο µεγαλύτερη και η συχνότητα του. Αν ϐέβαια ϱωτούσαµε τον µηχανοδηγό για το ύψος του ήχου που αντιλαµβάνεται κατά την κίνηση του τραίνου, ϑα µας απαντούσε ότι ακούει σταθερό ήχο. Από τις παραπάνω εύκολα µετρήσιµες διαπιστώσεις οδηγούµαστε στην ακόλουθη διατύπωση για το ϕαινόµενο Doppler: Φαινόµενο Doppler λέγεται το ϕαινόµενο κατά το οποίο, όταν ένας παρατηρητής και µία πηγή κυµάτων ϐρίσκονται σε σχετική κίνηση µεταξύ τους, τότε η συχνότητα του κύµατος που ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται δεν είναι ίδια µε την συχνότητα που η πηγή εκπέµπει. Το ϕαινόµενο παρατηρείται σε όλα τα αρµονικά κύµατα, τόσο στα µηχανικά, όσο και στα ηλεκτροµαγνητικά. Για την µελέτη του ϕαινοµένου ϑα συµβολίζουµε µε S την πηγή, fS την συχνότητα της πηγής, ~ υS την ταχύτητα της πηγής. Επίσης ϑα συµβολίζουµε µε Α τον παρατηϱητή, fA την συχνότητα που αντιλαµβάνεται ο παρατηρητής και ~ υA την ταχύτητα του παρατηρητή. Ως ϑετική ϕορά των ταχυτήτων ~ υS , ~υA ϑα ϑεωρούµε την ϕορά από την πηγή προς τον παρατηρητή. Τέλος δεχόµαστε ότι ο αέρας, που αποτελεί το µέσον διάδοσης των ηχητικών κυµάτων, είναι ακίνητος. Οι ταχύτητες ~ υS και ~υA είναι υπολογισµένες σε σχέση µε τον αέρα. Επίσης η ταχύτητα υ µε την οποία διαδίδεται ο ήχος στον αέρα είναι σταθερή και η ϕορά της ϑεωρείτε πάντα ϑετική.

5.1

Ακίνητη πηγή - Ακίνητος παρατηρητής

Θεωρούµε µια ακίνητη ως προς το µέσο διάδοσης πηγή S που εκπέµπει προς όλες τις κατευθύνσεις ήχο συχνότητας fS . Τα κύµατα διαδίδονται µε ταχύτητα υ και έχουν µήκος κύµατος λ, τα οποία συνδέονται µε την ϑεµελιώδη εξίσωση της κυµατικής :

υ = λfS ⇒ fS =

υ λ


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Στο σχήµα ϐλέπουµε ένα στιγµιότυπο του κύµατος. Οι οµόκεντροι κύκλοι παριστάνουν τα διαδοχικά µέγιστα του κύµατος σε µια χρονική στιγµή. Είναι σαφές ότι δύο µέγιστα απέχουν µεταξύ τους απόσταση λ. ΄Ενας παρατηρητής Α, ο οποίος είναι επίσης ακίνητος ως προς τον αέρα, υπολογίζει συχνότητα ήχου fA , µετρώντας τα µέγιστα που ϕτάνουν σε αυτόν ανα µονάδα χρόνου. ΄Οµως στην µονάδα του χρόνου, όσα µέγιστα παράγει η πηγή, τόσα µέγιστα ϕτάνουν στον παρατηρητή, άρα ϑα αντιλαµβάνεται την ίδια συχνότητα µε εκείνη που η πηγή εκπέµπει.

fA = fS =

υ λ

΄Αρα στην περίπτωση που δεν υπάρχει σχετική κίνηση πηγής - παρατηρητή δεν παρατηρούµε αλλαγή στην συχνότητα που ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται !

5.2

Ακίνητη πηγή - Κινούµενος παρατηρητής

Ο παρατηρητής πλησιάζει Θεωρούµε ότι ένα παρατηρητής Α πλησιάζει προς την ακίνητη πηγή S µε ταχύτητα ~ υA , όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Τώρα στην µονάδα του χρόνου ϕτάνουν στον παρατηρητή περισσότερα µέγιστα κύµατος από αυτά που η πηγή παϱάγει στον ίδιο χρόνο, αφού το µέτρο της ταχύτητας µε την οποία διαδίδεται ο ήχος, ως προς τον παρατηρητή είναι µεγαλύτερη λόγω της σχετικής κίνησης παρατηρητή ήχου. Γενικά για την σχετική ταχύτητα ενός κινούµενου σώµατος Α σε σχέση µε ένα κινούµενο σώµα Β µπορούµε να γράψουµε ~ υA,B = ~υA − ~υB , όπου οι ταχύτητες ~υA , ~υB είναι υπολογισµένες ως προς ένα ακίνητο παρατηρητή. Στην δική µας περίπτωση η ταχύτητα του ήχου ως προς τον κινούµενο παρατηρητή Α ϑα υπολογίζετε µε ϐάση το παραπάνω ως εξής :

υ~0 = ~υ − ~υA ⇒ υ 0 = υ − (−υA ) = υ + υA Το µήκος κύµατος που η πηγή εκπέµπει δίνεται πάλι από την σχέση : λ = fυ . S Ο παρατηρητής µετράει ακριβώς το ίδιο µήκος κύµατος λ ως εάν ήταν ακίνητος, αλλά ϐλέπει τα µέγιστα να τον προσπερνούν Η τιµή του µήκους κύµατος είναι η ίδια και στα δύο συστήµατα αναφοράς, στο σύστηµα αναφοράς της πηγής και του κινούµενου παρατηρητή. ΄Ετσι η συχνότητα που ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται ϑα είναι :

fA = 120

υ0 υ + υA υ + υA υ + υA ⇒ fA = = = fS λ λ υ/fS υ


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Επειδή υ + υA > υ προκύπτει από την τελευταία σχέση ότι ο ήχος που αντιλαµϐάνεται ο παρατηρητής είναι µεγαλύτερης συχνότητας ( οξύτερος) από εκείνο που η πηγή εκπέµπει (fA > fS ). Ο παρατηρητής αποµακρύνεται Θεωρούµε ότι ένας παρατηρητής Α αποµακρύνεται από την ακίνητη ως προς τον αέρα πηγή S µε ταχύτητα ~ υA . Τώρα στην µονάδα του χρόνου ϕτάνουν στον παρατηρητή λιγότερα µέγιστα του κύµατος από αυτά που η πηγή στον ίδιο χρόνο παράγει, αφού το µέτρο της ταχύτητας µε την οποία διαδίδεται ο ήχος, ως προς την παρατηρητή είναι µικρότερη λόγω της σχετικής κίνησης. Με ϐάση τα παραπάνω :

υ~0 = ~υ − ~υA ⇒ υ 0 = υ − υA = υ − υA ΄Αρα σε αυτή την περίπτωση η συχνότητα που ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται ϑα είναι :

fA =

υ − υA υ − υA υ − υA υ0 = = ⇒ fA = fS λ λ υ/fS υ

Επειδή υ − υA < υ προκύπτει από την τελευταία σχέση ότι ο ήχος που αντιλαµϐάνεται ο παρατηρητής είναι µικρότερης συχνότητας (ϐαρύτερος) από εκείνο που η πηγή εκπέµπει (fA < fS ).

5.3

Κινούµενη πηγή - Ακίνητος παρατηρητής

Η πηγή πλησιάζει Υποθέτουµε ότι µια πηγή ήχου S κινείται µε ταχύτητα ~υS , πλησιάζοντας έναν ακίνητο παρατηρητή Α. Η ταχύτητα διάδοσης του ήχου, ως προς τον αέρα ϑα είναι υ γιατί εξαρτάται µόνο από τις ιδιότητες του µέσου διάδοσης και όχι από την κίνηση της πηγής. Η ϑεµελιώδης εξίσωση της κυµατικής για την πηγή ϑα είναι υ = λfS .Από το σχήµα ϕαίνεται ότι καθώς η πηγή κατευθύνεται προς τον παρατηρητή ¨συµπιέζει¨ τα διαδοχικά µέγιστα του κύµατος, µε αποτέλεσµα ο παρατηρητής να τα ανιχνεύει µε µικρότερο µήκος κύµατος από εκείνο που η πηγή εκπέµπει. Ποιο συγκεκριµένα ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται ως µήκος κύµατος λA την απόσταση δύο διαδοχικών µεγίστων που ϕτάνουν σε αυτόν. Η πηγή εκπέµπει κύµατα και ταυτόχρονα κινείται. Ο χρόνος που µεσολαβεί κατά την εκποµπή δύο διαδοχικών κυµάτων είναι µια περίοδος Τ της ταλάντωσης της πηγής. ΄Αρα µέχρι η πηγή έχει προχωρήσει κατά x = υS T µέχρι να εκπέµψει το επόµενο κύµα. Εποµένως η απόσταση δύο διαδοχικών µεγίστων ϑα είναι λ − υS T . Αυτή η απόσταση είναι και το µήκος κύµατος λA που ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται. ΄Αρα η 121


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου συχνότητα που ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται ϑα είναι :

fA =

υ υ = = λA λ − υS T

υ fS

υ −

υS fS

⇒ fA =

υ fS υ − υS

Επειδή υ − υS < υ προκύπτει από την τελευταία σχέση ότι ο ήχος που αντιλαµϐάνεται ο παρατηρητής είναι µεγαλύτερης συχνότητας (οξύτερος) από εκείνο που η πηγή εκπέµπει (fA > fS ). Η πηγή αποµακρύνεται Αν υποθέσουµε ότι µία πηγή ήχου S αποµακρύνεται µε ταχύτητα ~ υS από τον παρατηρητή Α, τότε µε το αντίστοιχο σκεπτικό που παραπάνω αναλύσαµε είναι σαφές ότι ο παρατηρητής Α ϑα αντιλαµβάνεται δύο διαδοχικά µέγιστα του κύµατος σε µεγαλύτερη απόσταση µεταξύ τους, αφού η πηγή σε χρόνο µίας περιόδου ϑα έχει αποµακρυνθεί κατά υS T . Το µήκος κύµατος που ο παρατηρητής ϑα αντιλαµβάνεται ϑα είναι λ+υS T . ΄Αρα η συχνότητα που ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται ϑα είναι :

fA =

υ υ = = λA λ + υS T

υ fS

υ +

υS fS

⇒ fA =

υ fS υ + υS

Επειδή υ + υS > υ προκύπτει από την τελευταία σχέση ότι ο ήχος που αντιλαµϐάνεται ο παρατηρητής είναι µικρότερης συχνότητας (ϐαρύτερος) από εκείνο που η πηγή εκπέµπει (fA < fS ).

5.4

Γενικές παρατηρήσεις

Αν κινούνται τόσο η πηγή όσο και ο παρατηρητής σε σχέση µε τον αέρα ή γενικά το µέσο διάδοσης, τότε η σχέση που µας δίνει την συχνότητα που αντιλαµβάνεται ο παρατηρητής δίνεται από τον συνδυασµό όλων των παραπάνω περιπτώσεων.

fA =

υ ± υA fS υ ∓ υS

(5.1)

Το ϐασικό συµπέρασµα που προκύπτει είναι ότι : Ο παρατηρητής ακούει ήχο µε µεγαλύτερη συχνότητα από εκείνο της πηγής, όταν η µεταξύ τους απόσταση µειώνεται, και µε συχνότητα µικρότερη από εκείνο της πηγής όταν η µεταξύ τους απόσταση αυξάνεται. Προσοχή στα πρόσηµα !

ˆ ο αριθµητής αναφέρεται στην κίνηση του παρατηρητή µε το (+) να αντιστοιχεί στον παρατηρητή που πλησιάζει την πηγή και το (-) στον παρατηρητή που αποµακρύνεται από την πηγή.

ˆ ο παρανοµαστής αναφέρεται στην κίνηση της πηγής µε το (-) να αντιστοιχεί στην πηγή που πλησιάζει τον παρατηρητή και το (+) στην πηγή που αποµακρύνεται από τον παρατηρητή. 122


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Χρονική ∆ιάρκεια εκποµπής και χρονική διάρκεια λήψης του ήχου Στο ϕαινόµενο Doppler δεν έχουµε µόνο αλλαγή στην συχνότητα που ακούει ο παρατηρητής, αλλά και στην χρονική διάρκεια του ήχου που ακούει (∆tA ). Υποθέτουµε ότι η πηγή εκπέµπει τον ήχο για χρονική διάρκεια ∆tS . Από τον ορισµό της συχνότητας έχουµε ότι :

fA =

NA ∆tA

fS =

NS ∆tS

Ο αριθµός των κυµάτων που η πηγή εκπέµπει (NS ) είναι ίσος µε τον αριθµό των κυµάτων που ϕτάνουν στον παρατηρητή (NA ). ΄Αρα προκύπτει :

fA ∆tA = fS ∆tS ⇒ ∆tA =

fS ∆tS fA

Προφανώς, όταν ο παρατηρητής και η πηγή δεν ϐρίσκονται σε σχετική κίνηση µεταξύ τους, τότε fA = fS , άρα και οι χρονικές διάρκειες ϑα είναι ίσες. Πηγή και παρατηρητής που δεν κινούνται πάνω σε ευθεία που ενώνει πηγή µε παρατηρητή ΄Οταν η πηγή κινείται µε ταχύτητα ~ υS που δεν ϐρίσκεται πάνω στην ευθεία πηγής - παρατηρητή, τότε πρέπει να προσέξουµε τον τρόπο εφαρµογής των παραπάνω σχέσεων. Επιλέγουµε ως ταχύτητα του παρατηρητή ή ταχύτητα της πηγής την προβολή των ταχυτήτων τους πάνω στην ευϑεία που ενώνει πηγή - παρατηρητή και εφαρµόζουµε την ανάλογη σχέση. Πηγή ή παρατηρητής που εκτελούν µεταβαλλόµενη κίνηση ΄Οταν η κίνηση της πηγής ή του παρατηρητή δεν είναι οµαλή, τότε και η συχνότητα που αντιλαµβάνεται ο παρατηρητής ϑα µεταβάλλεται και αυτή µε τον χρόνο. Στην περίπτωση της κινούµενης πηγής η ταχύτητα της ϑα είναι µια συνάρτηση του χρόνου υS (t) ανάλογα ϐέβαια µε το είδος της κίνησης. Αν για παράδειγµα η πηγή εκτελεί µια απλή αρµονική ταλάντωση τότε υS = ωAσυν(ωt + φ0 ). Στην περίπτωση του κινούµενου παρατηρητή η ταχύτητα του ϑα είναι µια συνάρτηση του χρόνου υA (t). Αν για παράδειγµα ο παρατηρητής επιταχύνεται ευθύγραµµα και οµαλά υS = αS t Πρόταση Μελέτης Λύσε από τον ΄Β τόµο των Γ. Μαθιουδάκη & Γ.Παναγιωτακόπουλου τις ακόλουθες ασκήσεις : 9.1 - 9.45, 9.50, 9.51, 9.53, 9.54, 9.56, 9.57, 9.58, 9.61, 9.62, 9.63, 9.65, 9.67, 9.68, 9.71

123


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

124


Μέρος I Σετ Ασκήσεων 2012 - 2013


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Απλή Αρµονική Ταλάντωση 1ο Σετ Ασκήσεων - Καλοκαίρι 2012 Α. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α.1.Σηµειακό αντικείµενο εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Η αποµάκρυνση x από την ϑέση ισορροπίας του είναι : α. ανάλογη του χρόνου ϐ. αρµονική συνάρτηση του χρόνου γ. ανάλογη του τετραγώνου του χρόνου δ. οµόρροπή µε την δύναµη επαναφοράς

Α.2. Η ταχύτητα υ σηµειακού αντικειµένου το οποίο εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση : α. είναι µέγιστη κατα µέτρο στην ϑέση x = 0 ϐ. έχει την ίδια ϕάση µε την αποµάκρυνση x γ. είναι µέγιστη στις ϑέσεις x = ±A δ. έχει την ίδια ϕάση µε την δύναµη επαναφοράς

Α.3. Η επιτάχυνση α σηµειακού αντικειµένου το οποίο εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση : α. είναι σταθερή ϐ. είναι ανάλογη και αντίθετη της αποµάκρυνσης x γ. έχει την ίδια ϕάση µε την ταχύτητα δ. γίνεται µέγιστη στην ϑέση x = 0

Α.4. Η ϕάση της απλής αρµονικής ταλάντωσης : α. αυξάνεται γραµµικά µε τον χρόνο ϐ. είναι σταθερή γ. ελαττώνεται γραµµικά µε τον χρόνο δ. είναι ανάλογη του τετραγώνου του χρόνου 127


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.5. Η επιτάχυνση ενός απλού αρµονικού ταλαντωτή : α. έχει πάντοτε ϕορά αντίθετη µε την ϕορά της ταχύτητας ϐ. είναι µηδέν, όταν η ταχύτητα είναι µηδέν γ. ελαττώνεται, όταν αυξάνεται η δυναµική ενέργεια δ. ελαττώνεται, όταν αυξάνεται η κινητική ενέργεια.

Α.6. ΄Οταν η συχνότητα της απλής αρµονικής ταλάντωσης διπλασιάζεται : α. διπλασιάζεται η µέγιστη ταχύτητα και η µέγιστη επιτάχυνση της ϐ. µένει ίδια η µέγιστη ταχύτητα της και τετραπλασιάζεται η µέγιστη επιτάχυνση της γ. διπλασιάζεται η µέγιστη ταχύτητα της και µένει ίδια η µέγιστη επιτάχυνση της δ. διπλασιάζεται η µέγιστη ταχύτητα της και τετραπλασιάζεται η µέγιστη επιτάχυνση της

Α.7. Η ∆ύναµη επαναφοράς που επενεργεί πάνω σε ένα σώµα που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µεταβάλλεται µε την αποµάκρυνση σύµφωνα µε τη γραφική παράσταση :

Α.8. Στην Απλή Αρµονική Ταλάντωση η διαφορά ϕάσης µεταξύ ταχύτητας και δύναµης επαναφοράς είναι : α. µηδέν ϐ. π 128


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου γ.

π 2

δ.

π 4

Α.9. Η ταχύτητα ενός σώµατος που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µεταβάλλεται όπως στο σχήµα,

α. τη στιγµή t1 το σώµα έχει µέγιστη αποµάκρυνση. ϐ. τη στιγµή t3 το σώµα έχει µέγιστη επιτάχυνση. γ. τη στιγµή t1 , στο σώµα ασκείται η µέγιστη δύναµη επαναφοράς. δ. τη στιγµή t4 , στο σώµα ασκείται η µέγιστη δύναµη επαναφοράς.

Α.10. Η επιτάχυνση ενός σώµατος που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µεταβάλλεται όπως στο σχήµα,

α. τη στιγµή t1 το σώµα ϐρίσκεται σε µέγιστη αποµάκρυνση. ϐ. τη στιγµή t2 το σώµα έχει µηδενική ορµή. γ. τη στιγµή t3 το σώµα έχει µηδενική ταχύτητα. δ. το χρονικό διάστηµα από τη στιγµή t2 έως τη στιγµή t4 ειναι

T . 4

129


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.11. Η γραφική παράσταση του σχήµατος δείχνει πως µεταβάλλεται η ταχύτητα ενός σώµατος, το οποίο εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση σε συνάρτηση µε τον χρόνο.Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασµένες· α. Τη χρονική στιγµή t = είναι µηδέν.

T 4

ϐ. Τη χρονική στιγµή t =

T 4

η σταθερά επαναφοράς είναι µέγιστη.

γ. Τη χρονική στιγµή t =

T 2

η επιτάχυνση του σώµατος είναι µηδέν.

δ. Τη χρονική στιγµή t =

3T 4

η αποµάκρυνση του σώµατος από την ϑέση ισορροπίας

η δύναµη επαναφοράς είναι µηδέν.

Α.12. ΄Ενα σώµα εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση και την χρονική στιγµή t = 0 ϐρίσκεται σε ϑέση µέγιστης ϑετικής αποµάκρυνσης. Σε ποιο από τα διπλανά διαγράµµατα απεικονίζεται η αποµάκρυνση σε ποιο η ταχύτητα και σε ποιο η επιτάχυνση σε συνάρτηση µε τον χρόνο.

130


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Α.13. ΄Ενα υλικό σηµείο που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση διέρχεται από την ϑέση ισορροπίας του. Το µέγεθος που δεν αλλάζει πρόσηµο είναι : α. η αποµάκρυνση του ϐ. η ταχύτητα του γ. η επιτάχυνση του δ. η δύναµη επαναφοράς

Α.14. Στην απλή αρµονική ταλάντωση τα µεγέθη που παίρνουν ταυτόχρονα την µέγιστη ή την ελάχιστη τιµή τους είναι : α. η αποµάκρυνση και η ταχύτητα ϐ. η αποµάκρυνση και η επιτάχυνση γ. η ταχύτητα και η δύναµη επαναφοράς δ. η επιτάχυνση και η δύναµη επαναφοράς

Α.15. ΄Ενα σώµα εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Η επιτάχυνση του γίνεται µέγιστη όταν : α. η αποµάκρυνση του µηδενίζεται ϐ. η ταχύτητα του γίνεται µέγιστη γ. η δύναµη επαναφοράς µηδενίζεται δ. η ταχύτητα του µηδενίζεται

Α.16. Η χρονική εξίσωση της αποµάκρυνσης ενός σώµατος που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση είναι x = Aηµ(ωt + π2 ). Η ταχύτητα και η επιτάχυνση έχουν ϑετική αλγεβρική τιµή, στην διάρκεια µιας περιόδου κατά το χρονικό διάστηµα : α.

T 2

ϐ. 0 → γ.

T 4

δ.

3T 4

3T 4 T 4 T 2

→T 131


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.17. Στο πρότυπο του απλού αρµονικού ταλαντωτή, η δυναµική του ενέργεια : α. έχει την µέγιστη τιµή της στην ϑέση ισορροπίας. ϐ. είναι ίση µε την ολική του ενέργεια στις ϑέσεις ±A. γ. έχει πάντοτε µεγαλύτερη τιµή από την κινητική του ενέργεια. δ. έχει αρνητική τιµή στις ϑέσεις −A ≤ x ≤ 0.

Α.18.Στο πρότυπο του απλού αρµονικού ταλαντωτή, η κινητική του ενέργεια : α. στη ϑέση x = 0 είναι ίση µε την ολική του ενέργεια. ϐ. είναι πάντοτε µεγαλύτερη από την δυναµική του ενέργεια. γ. εξαρτάται από την κατεύθυνση κίνησης της µάζας. δ. παίρνει µηδενική τιµή µια ϕορά στην διάρκεια µιας περιόδου.

Α.19. Στο πρότυπο του απλού αρµονικού ταλαντωτή, η ολική του ενέργεια : α. µεταβάλλεται αρµονικά µε τον χρόνο. ϐ. είναι πάντοτε µικρότερη από την δυναµική του ενέργεια. γ. είναι πάντοτε µεγαλύτερη από την κινητική του ενέργεια. δ. καθορίζει το πλάτος της ταλάντωσης και την µέγιστη ταχύτητα υmax .

Α.20. Σύστηµα ελατηρίου -σώµατος εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση πλάτους Α. Αν διπλασιάσουµε την µάζα του σώµατος και το πλάτος της ταλάντωσης παραµείνει σταθερό τότε µεταβάλλεται : α. η ενέργεια της ταλάντωσης. ϐ. η συχνότητα της ταλάντωσης γ. η σταθερά επαναφοράς δ. η µέγιστη δύναµη επαναφοράς 132


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Α.21. Ελατήριο αµελητέας µάζας επιµηκύνεται κατά l , όταν σε αυτό αναρτάται µάζα m και µπορεί να εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε συχνότητα f0 . Αν στο ελατήριο αναρτηθεί σώµα µάζας 3m, η συχνότητα της ταλάντωσης του συστήµατος γίνεται : α.

f0 3

ϐ. f0 γ.

√ √

δ.

3f0

3f0 3

Α.22. Σύστηµα µάζας - ελατηρίου εκτελεί αρµονική ταλάντωση σε κατακόρυφο άξονα. Για την ταλάντωση του ισχύουν τα εξής : α. Η ϑέση ισορροπίας της ταλάντωσης ταυτίζεται µε το ϕυσικό µήκος του ελατηρίου. ϐ. Η δύναµη επαναφοράς ταυτίζεται µε την δύναµη που ασκεί το ελατήριο στο σώµα. γ. Η µέγιστη ενέργεια της ταλάντωσης δεν είναι ίση µε µε την µέγιστη δυναµική ενέργεια του ελατηρίου. δ. Το σώµα αποκτά την µέγιστη ταχύτητα του όταν διέρχεται από την ϑέση του ϕυσικού µήκους του ελατηρίου.

Α.23. Σώµα µάζας m εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση δεµένο στο ελεύθερο άκρο κατακόρυφου ελατηρίου. Η ενέργεια ταλάντωσης είναι ίση µε : α. τη δυναµική ενέργεια του ελατηρίου. ϐ. την κινητική ενέργεια του σώµατος στην ακραία ϑέση της ταλάντωσης. γ. το άθροισµα της κινητικής και δυναµικής ενέργειας του ελατηρίου σε µια ϑέση. δ. το έργο της εξωτερικής δύναµης που ασκήσαµε στο σώµα για να το ϑέσουµε σε ταλάντωση.

Α.24. Στην απλή αρµονική ταλάντωση στην διάρκεια µιας περιόδου : α. η δυναµική ενέργεια γίνεται µέγιστη µόνο µια ϕορά. ϐ. η δυναµική ενέργεια γίνεται ίση µε την κινητική µόνο µια ϕορά. 133


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου γ. η κινητική ενέργεια γίνεται ίση µε την ολική δύο ϕορές. δ. η κινητική ενέργεια παίρνει αρνητικές τιµές όταν −υmax ≤ υ ≤ 0.

Α.25. Σύστηµα µάζας ελατηρίου εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση σε λείο οριζόντιο επίπεδο πλάτους Α. ∆ιπλασιάζουµε την µάζα του σώµατος διατηρώντας το ίδιο πλάτος ταλάντωσης. Για την νέα ταλάντωση ισχύει : α. Η περίοδος διπλασιάζεται. ϐ. Η µέγιστη ταχύτητα υποδιπλασιά��εται. γ. Η µέγιστη ενέργεια της ταλάντωσης µένει ίδια. δ. Η µέγιστη κινητική ενέργεια υποδιπλασιάζεται.

Α.26.Στο διάγραµµα του σχήµατος ϕαίνεται η γραφική παράσταση της δύναµης επαναφοράς σε συνάρτηση µε την ϑέση για ένα σώµα µάζας m = 1kg που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση.

α. Η περίοδος της ταλάντωση είναι 5s ϐ. Η σταθερά επαναφοράς είναι 100N/m γ. Το µέτρο της µέγιστης επιτάχυνσης είναι 10m/s2 δ. Η εξίσωση του περιγράφει την γραφική παράσταση είναι η F = −10x

Α.27. Η γραφική παράσταση x = f (t) για ένα σώµα που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση παριστάνεται στο σχήµα. α. Τις χρονικές στιγµές 2s και 6s η ταχύτητα του σώµατος µηδενίζεται. ϐ. Τις χρονικές στιγµές 0s, 4s και 8s η κινητική ενέργεια του σώµατος γίνεται µέγιστη. 134


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

γ. Την χρονική στιγµή t = 6s η επιτάχυνση είναι a =

1 m/s2 (π 2 16

= 10).

δ. Στο χρονικό διάστηµα 4s → 6s η δύναµη επαναφοράς έχει ϑετική αλγεβρική τιµή.

Α.28.Η χρονική εξίσωση της αποµάκρυνσης για σώµα που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση είναι x = Aηµ(ωt + π2 . Ποιο από τα διαγράµµατα αποδίδει σωστά την σχέση υ = f (t)·

Α.29. Σύστηµα µάζας ελατηρίου εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση πλάτους Α σε λείο οριζόντιο δάπεδο. Αν διπλασιάσουµε το πλάτος της ταλάντωσης τότε : α. διπλασιάζεται η ενέργεια ταλάντωσης. ϐ. διπλασιάζεται η περίοδος. γ. διπλασιάζεται η µέγιστη δύναµη επαναφοράς. δ. τετραπλασιάζεται η µέγιστη επιτάχυνση. 135


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής µε αιτιολόγηση Β.1. ΄Ενα σώµα, µάζας m, εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση έχοντας ολική ενέργεια Ε. Χωρίς να αλλάξουµε τα ϕυσικά χαϱακτηριστικά του συστήµατος, προσφέρουµε στο σώµα επιπλέον ενέργεια 3Ε. Τότε η µέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης : α. µένει σταθερή. ϐ. διπλασιάζεται. γ. τετραπλασιάζεται.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.2. Η γραφική παράσταση της κινητικής ενέργειας ενός απλού αρµονικού ταλαντωτή σε συνάρτηση µε το χρόνο ϕαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Τη χρονική στιγµή t1 η ταχύτητα του σώµατος έχει ϑετικό πρόσηµο.

Η γραφική παράσταση της αποµάκρυνσης σε συνάρτηση µε το χρόνο είναι η :

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 136


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β.3. Σώµα Α είναι δεµένο σε κατακόρυφο ιδανικό ελατήριο, το άλλο άκρο του οποίου είναι στερεωµένο σε ακλόνητο σηµείο στην οροφή. Εκτρέπουµε κατακόρυφα το σώµα Α από τη ϑέση ισορϱοπίας του κατά d, προσφέροντας ενέργεια E1 και το αφήνουµε ελεύθερο να κινηθεί από τη ϑέση εκτροπής, οπότε αυτό εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Αντικαθιστούµε το σώµα Α µε σώµα Β, που έχει µεγαλύτερη µάζα και εκτρέπουµε το σώµα Β από τη ϑέση ισορροπίας του κατά ίση αποµάκρυνση d µε τον ίδιο τρόπο. Η ενέργεια E2 που προσφέραµε για να εκτρέψουµε το σώµα Β είναι : α. ίση µε την E1 . ϐ. µικρότερη από την E1 . γ. µεγαλύτερη από την E1 .

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.4. ∆ύο αρµονικοί ταλαντωτές (1) και (2), είναι µικρά σώµατα µε µάζες m1 και m2 (m1 = 4m2 ) , που είναι δεµένα σε δύο διαφορετικά ελατήρια µε σταθερές k1 και k2 αντίστοιχα. Οι δύο ταλαντωτές έχουν ίδια ενέργεια Ε και ίδια περίοδο Τ.Με ϐάση τα δεδοµένα αυτά, το σωστό διάγραµµα συνισταµένης δύναµης F αποµάκρυνσης x είναι το :

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 137


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.5. Σώµα Σ1 µάζας m είναι δεµένο σε κατακόρυφο ιδανικό ελατήριο και εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση πλάτους Α. Η µέγιστη δύναµη επαναφοράς, που δέχεται στη διάρκεια της ταλάντωσης είναι Fmax και η µέγιστη επιτάχυνση αmax . Αντικαθιστούµε το Σ1 µε άλλο σώµα Σ2 , που έχει µεγαλύτερη µάζα m2 από το Σ1 και διεγείρουµε το σύστηµα ώστε να εκτελέσει ταλάντωση ίδιου πλάτους Α. Τότε το σώµα Σ2 ϑα ταλαντώνεται µε απλή αρµονική ταλάντωση και : Α) η µέγιστη δύναµη που ϑα δέχεται ϑα είναι : α. µικρότερη απ’ του Σ1 . ϐ. ίση µε του Σ1 . γ. µεγαλύτερη απ’ του Σ1 . Β) η µέγιστη επιτάχυνση του ϑα είναι : α. µικρότερη απ’ του Σ1 . ϐ. ίση µε του Σ1 . Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.6. ΄Ενα σώµα µάζας m = 1kg εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση της οποίας η αποµάκρυνση περιγράφεται από τη σχέση x = 0, 02ηµ(4πt)(S.I.). Η δυναµική ενέργεια της ταλάντωσης σε συνάρτηση µε την αποµάκρυνση x περιγράφεται από την σχέση : α. U = 72π 2 x2 (S.I.) ϐ. U = 16x2 (S.I.) γ. U = 144 − 72π 2 x2 (S.I.) Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας, στην συνέχεια σχεδιάστε την συνάρτηση σε κατάλληλα ϐαθµολογηµένους άξονες.

Β.7. ∆ύο υλικά σηµεία (Α) και (Β) εκτελούν απλή αρµονική ταλάντωση µε αντίστοιχες χρονικές εξισώσεις xA = Aηµπt και xB = 2Aηµ π2 t. α. fA = 4fB ϐ. fA = 2fB 138


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου γ. fA = fB δ. fB = 4fA ε. υmax,A = 2υmax,B στ. υmax,A = 4υmax,B Ϲ. υmax,A = υmax,B η. υmax,A =

υmax,B 2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.8.΄Ενα σώµα µάζας m είναι δεµένο στην ελεύθερη άκρη κατακόρυφου ελατηρίου σταθεράς k και ηρεµεί στην ϑέση ισορροπίας. Αποµακρύνουµε το σώµα προς τα κάτω κατά Α και το αϕήνουµε ελεύθερο. Το σύστηµα εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Αντικαθιστούµε το ελατήριο µε άλλο, σταθεράς 2k ,χωρίς να αλλάξουµε το αναρτηµένο σώµα. Αποµακρύνουµε το σώµα προς τα κάτω από την νέα ϑέση ισορροπίας κατά Α και το αφήνουµε ελεύθερο. Το σύστηµα εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Ο α λόγος των µέτρων των µέγιστων επιταχύνσεων αmax,1 είναι : max,2 α. 2 ϐ. 1 γ.

1 2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Γ.Ασκήσεις Γ.1. Μια σφαίρα µάζας m = 2kg εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση γωνιακής συχνότητας ω = 10rad/s.Τη χρονική στιγµή t = 0 ϐρίσκεται στη ϑέση όπου έχει τη µέγιστη τιµή της δύναµης επαναφοράς της ταλάντωσης Fmax = +20N. α. Να υπολογίσετε τη περίοδο και το πλάτος της ταλάντωσης. ϐ. Να γράψετε τη συνάρτηση αποµάκρυνσης { χρόνου και να την παραστήσετε γραφικά σε κατάλληλα ϐαθµολογηµένους άξονες. Η αρχική ϕάση έχει πεδίο τιµών [0, 2π). 139


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου γ. Να ϐρείτε την ταχύτητα της σφαίρας τη στιγµή t1 =

π . 4

δ. Να ϐρείτε τη δυναµική και την κινητική ενέργεια ταλάντωσης της σφαίρας τη στιγµή t1 .

Γ.2. ΄Ενα σώµα, µάζας m = 2kg , εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Η απόσταση των ακραίων ϑέσεων του υλικού σηµείου είναι d = 0, 4m και τη χρονική στιγµή t0 = 0 διέρχεται απ’ τη ϑέση √ q1 = 0, 1m, έχοντας ταχύτητα µέτρου υ1 = 2 3m/s µε ϕορά προς τη ϑέση ισορροπίας του α. Να υπολογίσετε το πλάτος Α και τη σταθερά επαναφοράς D της ταλάντωσης. ϐ. Να παραστήσετε γραφικά την Κινητική του ενέργεια σε συνάρτηση µε την αποµάκρυνση x από τη ϑέση ισορροπίας του, σε κατάλληλα ϐαθµολογηµένους άξονες στο S.I. γ. Να υπολογίσετε την γωνιακή συχνότητα ω και την αρχική ϕάση της φ0 ταλάντωσης. Η αρχική ϕάση έχει πεδίο τιµών [0, 2π]). δ. Να ϐρείτε ποια χρονική στιγµή περνά, για πρώτη ϕορά, από την ακραία ϑετική ϑέση.

Γ.3.Το διάγραµµα του σχήµατος παριστάνει την ταχύτητα σε συνάρτηση µε το χρόνο ενός σώµατος µάζας m = 0, 5kg , που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση.

α. Να υπολογίσετε τη γωνιακή συχνότητα ω και το πλάτος Α της ταλάντωσης. ϐ. Να ϐρείτε την αρχική ϕάση της ταλάντωσης. γ. Να γράψετε τη χρονική εξίσωση της συνισταµένης δύναµης, που δέχεται το σώµα. (π 2 w π 2 δ. Να ϐρείτε το µέτρο της επιτάχυνσης στις ϑέσεις όπου η κινητική ενέργεια της ταλάντωσης είναι το 75% της ολικής ενέργειας. 140


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Γ.4. ΄Ενα σώµα µε µάζα m = 0, 1kg εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση, µεταξύ δύο ακραίων ϑέσεων που απέχουν d = 40cm. Ο ελάχιστος χρόνος µετάβασης του σώµατος από τη µια ακραία ϑέση στην άλλη είναι ∆t = 0, 1πs. Τη √ χρονική στιγµή t0 = 0 το σώµα διέρχεται από τη ϑέση x0 = 0, 1 3m και το µέτρο της ταχύτητάς του µειώνεται. α. Να ϐρείτε το πλάτος Α και τη γωνιακή συχνότητα ω της ταλάντωσης.

ϐ. Πόση ενέργεια Ε προσφέραµε στο σώµα για να το ϑέσουµε σε ταλάντωση·

γ. Να υπολογίσετε τη δυναµική ενέργεια του σώµατος, κάποια χρονική στιγµή, √ όταν έχει µέτρο ταχύτητας υ1 = 3m/s δ. Να υπολογίσετε την αρχική ϕάση φ0 ταλάντωσης.

ε. Να υπολογίσετε την αποµάκρυνση και τη δυναµική ενέργεια του σώµατος, τη χρονική στιγµή t2 = 3T 4

Γ.5. ΄Ενα σώµα, µάζας m = 0, 5kg , εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε συχνότητα f = π5 Hz , ενώ διανύει σε κάθε περίοδο της ταλάντωσης του διάστηµα d = 2m. Το σώµα δέχεται κατά τη διάρκεια της ταλάντωσης του, και στη διεύθυνση της κίνησής του, δύο δυνάµεις F1 και F2 , εκ των οποίων η F2 είναι σταθερή µε µέτρο F2 = 10N και ϕορά αρνητική. Τη χρονική στιγµή t = 0 το √ σηµείο διέρχεται επιταχυνόµενο από τη ϑέση x1 = − 43 m. α. Να υπολογίσετε το πλάτος και τη σταθερά επαναφοράς D της ταλάντωσης.

ϐ. Να υπολογίσετε την αρχική ϕάση φ0 της ταλάντωσης.

γ. Να υπολογίσετε το ποσοστό % της κινητικής ενέργειας του σώµατος ως προς την ολική ενέργεια ταλάντωσης, τη χρονική στιγµή t = 0.

δ. Να γράψετε την εξίσωση της δύναµης F1 σε συνάρτηση µε το χρόνο. 141


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Γ.6. Το κάτω άκρο ενός ιδανικού ελατηρίου, σταθεράς k = 100N/m, είναι ακλόνητα στερεωµένο στη ϐάση λείου κεκλιµένου επιπέδου, γωνίας κλίσης ϑ=30°. Στο πάνω άκρο του ισορροπεί δεµένο σώµα, αµελητέων διαστάσεων, µάζας m = 1kg . Συµπιέζουµε το ελατήριο επιπλέον κατά x0 = 0, 1m και τη χρονική στιγµή t = 0, εκτοξεύουµε το σώµα µε ταχύτητα µέτρου u0 = 3m/s µε ϕορά προς τα κάτω παράλληλη προς το κεκλιµένο επίπεδο, όπως ϕαίνεται στο σχήµα.

α. Να αποδείξετε ότι το σύστηµα εκτελεί γραµµική αρµονική ταλάντωση και να ϐρείτε τη συχνότητά της. ϐ. Να υπολογίσετε το πλάτος ταλάντωσης Α. γ. Να γράψετε την εξίσωση ��ης αποµάκρυνσης του σώµατος σε συνάρτηση µε το χρόνο. Θεωρήστε ϑετική ϕορά την προς τα κάτω. δ. Να υπολογίσετε τη δύναµη του ελατηρίου στις ϑέσεις όπου µηδενίζεται η κινητική ενέργεια του σώµατος. ∆ίνεται ότι g = 10m/s2

Γ.7. Για ένα υλικό σηµείο που εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση ξέρουµε ότι τη χρονική στιγµή t = 0 ϐρίσκεται στο ϑετικό ηµιάξονα (x > 0), κινείται προς τη ϑέση ισορροπίας και ισχύει K = 3U . Επίσης γνωρίζουµε ότι ο χρόνος µετάβασης από τη µία ακραία π ϑέση ταλάντωσης στην άλλη είναι 10 sec. α. Ποια είναι η αρχική ϕάση της ταλάντωσης· ϐ. Ποια είναι η κυκλική συχνότητα της ταλάντωσης· γ. ΄Οταν το υλικό σηµείο √ ϐρίσκεται σε µια ϑέση που απέχει x = 0, 1m από τη Θ.Ι, έχει ταχύτητα υ = 3m/s. Ποιο είναι το πλάτος της ταλάντωσης· 142


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου δ. Να γραφούν οι εξισώσεις x = f (t), u = f (t) και να γίνει η γραφική παράσταση της πρώτης. ε. Πόσος χρόνος µεσολαβεί από τη χρονική στιγµή t = 0 µέχρι τη στιγµή που η ταχύτητα του µηδενίζεται για πρώτη ϕορά·

∆.Προβλήµατα ∆.1. Μικρή µεταλλική σφαίρα µάζας m = 100g είναι δεµένη στο δεξιό ελεύθερο άκρο ενός οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς k = 10N/cm, του οποίου το αριστερό άκρο είναι ακλόνητα στεϱεωµένο. Η σφαίρα δέχεται σταθερή δύναµη µέτρου F = 2102 N , της οποίας η διεύθυνση είναι παράλληλη µε τον άξονα του ελατηρίου και η ϕορά προς τ’ αριστερά, οπότε το ελατήριο συσπειϱώνεται. Εκτρέπουµε τη σφαίρα από τη ϑέση ισορροπίας της κατά d = 0, 1m προς τ’ αριστερά και τη χρονική στιγµή t = 0 την αφήνουµε ελεύθερη να κινηθεί.

α. Να υπολογίσετε την απόσταση x0 της ϑέσης ισορροπίας της σφαίρας από τη ϑέση ϕυσικού µήκους του ελατηρίου. ϐ. Να αποδείξετε ότι η σφαίρα ϑα εκτελέσει γραµµική αρµονική ταλάντωση και να γ. Σε ποιο σηµείο της τροχιάς έχει ταυτόχρονα µέγιστο µέτρο δύναµης επαναφοράς και δύναµης ελατηρίου· Βρείτε τότε το λόγο των µέτρων της µέγιστης δύναµης επαναφοράς προς τη µέγιστη δύναµη ελατηρίου. δ. Τη στιγµή που η σφαίρα διέρχεται από τη ϑέση ισορροπίας της και κινείται κατά τη ϑετική ϕορά, καταργείται ακαριαία η δύναµη F . Βρείτε το λόγο της ολικής ενέργειας Ε0 της νέας ταλάντωσης προς την ολική ενέργεια Ε της αρχικής ταλάντωσης. 143


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆.2. Μικρό σώµα, µάζαςm = 0, 5kg , είναι δεµένο στο ελεύθερο άκρο οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς k = 200N/m και µπορεί να κινείται σε λείο οριζόντιο επίπεδο. Το σώµα εκτελεί γραµµική αρµονική ταλάντωση δεχόµενο σταθερή οριζόντια δύναµη µέτρου F = 50N προς τα δεξιά, µέσω νήµατος. ΄Οταν το σώµα ϐρίσκεται στη ϑέση, που µηδενίζεται η δυναµική ενέργεια του ελατηρίου, µεγιστοποιείται η δυναµική ενέργεια ταλάντωσης. α. Να προσδιορίσετε τη ϑέση ισορροπίας του σώµατος και στη συνέχεια να αποδείξετε ότι η σταθερά επαναφοράς της ταλάντωσης είναι ίση µε τη σταθερά k του ελατηρίου. ϐ. Να υπολογίσετε την ενέργεια ταλάντωσης Ε του σώµατος. Κάποια στιγµή, που τη ϑεωρούµε ως t = 0, κόβεται το νήµα, στη ϑέση όπου η δυναµική ενέργεια του ελατηρίου είναι µέγιστη. Το σύστηµα εκτελεί νέα απλή αρµονική ταλάντωση µε πλάτος Α0 . γ. Θεωρώντας ϑετική τη ϕορά προς τα δεξιά, γράψτε την εξίσωση της αποµάκρυνσης σε συνάρτηση µε το χρόνο. δ. Να υπολογίσετε το λόγο των ενεργειών ταλάντωσης του σώµατος µετά την κατάργηση της δύναµης F .

E , E0

πριν και

∆.3. Το σύστηµα των δύο σωµάτων Σ1 και Σ2 , ίσων µαζών m1 = m2 = 10kg , ισορροπεί δεµένο στο κάτω άκρο κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k100N/m .Τα σώµατα έχουν αµελητέες διαστάσεις. Το Σ1 είναι δεµένο στο ελατήριο, ενώ αβαρές νήµα µικρού µήκους συνδέει τα Σ1 και Σ2 . Τη χρονική στιγµή t = 0 κόβουµε το νήµα που συνδέει τα δύο σώµατα, οπότε το Σ1 αρχίζει να εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση.

144


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου α. Να προσδιορίσετε τη ϑέση ισορροπίας του συστήµατος των Σ1 − Σ2 και στη συνέχεια τη ϑέση ισορροπίας της ταλάντωσης του Σ1 µετά το κόψιµο του νήµατος. ϐ. Να υπολογίσετε το πλάτος ταλάντωσης Α καθώς και την ολική της ενέργεια Ε. γ. Θεωρώντας ϑετική ϕορά την προς τα πάνω, να γράψετε την εξίσωση αποµάκρυνσης x { χρόνου t. Στη συνέχεια να την παραστήσετε γραφικά σε κατάλληλα ϐαθµολογηµένους άξονες, στη διάρκεια της 1ης περιόδου. Θεωρήστε ότι : π 2 = 10 δ. Αν το σώµα Σ2 έχει ως προς το δάπεδο, που ϐρίσκεται κάτω του, στη ϑέση ισορροπίας του συστήµατος, ϐαρυτική δυναµική ενέργεια Uβαρ = 180J , να ϐρείτε ποιο απ’ τα δύο ϑα ϕτάσει πρώτο : το Σ2 στο έδαφος ή το Σ1 στο ανώτερο σηµείο της τροχιάς του. ∆ίνεται g = 10m/s2

∆.4. Το κάτω άκρο κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k = 100N/m είναι στερεωµένο σε οριζόντιο δάπεδο. Στο πάνω άκρο του είναι δεµένος δίσκος Σ1 µάζας m1 = 0, 8kg . Πάνω στο δίσκο είναι τοποθετηµένος κύβος Σ2 µάζας m2 = 0, 2kg . Το σύστηµα αρχικά ισορροπεί. Πιέζουµε το σύστηµα κατακόρυφα προς τα κάτω µεταφέροντας ενέργεια στο σύστηµα ίση µε E = 2J και το αφήνουµε ελεύθερο. α. Να ϐρείτε το πλάτος ταλάντωσης Α του συστήµατος, τη γωνιακή συχνότητα ω καϑώς και το χρόνο ∆t στον οποίο ϑα περάσει για 1η ϕορά απ’ τη ϑέση ισορροπίας του. ϐ. Να γράψετε τη συνάρτηση της δύναµης επαφής Ν, που δέχεται ο κύβος από το δίσκο Σ1 , σε συνάρτηση µε την αποµάκρυνση x από τη ϑέση ισορροπίας του. γ. Να υπολογίσετε την απόσταση y από τη Θέση ισορροπίας του, στην οποία ο κύβος ϑα χάσει την επαφή µε το δίσκο. δ. Να υπολογίσετε την ταχύτητα του κύβου τη χρονική στιγµή, που εγκαταλείπει το δίσκο και το ύψος στο οποίο ϑα ϕθάσει πάνω από τη ϑέση που εγκαταλείπει το δίσκο.

Η αντίσταση του αέρα ϑεωρείται αµελητέα και g = 10m/s2 . 145


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆.5. Το αριστερό άκρο οριζόντιου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k = 400N/m στερεώνεται ακλόνητα και στο δεξιό άκρο του προσδένεται σώµα Σ1 µάζας m1 = 3kg , το οποίο µπορεί να κινείται σε λείο οριζόντιο δάπεδο. Πάνω στο Σ1 τοποθετείται δεύτερο σώµα Σ2 µάζας m2 = 1kg . Εκτοξεύουµε προς τα δεξιά το σύστηµα από τη ϑέση ισορροπίας του, µε ταχύτητα µέτρου V και παράλληλη µε το οριζόντιο επίπεδο, όπως στο σχήµα, οπότε το σύστηµα εκτελεί γραµµική αρµονική ταλάντωση. Τα δυο σώµατα διατηρούν την επαφή στη διάρκεια της ταλάντωσης.

α. Να υπολογίσετε τη γωνιακή συχνότητα της ταλάντωσης καθώς και τις σταθεϱές ταλάντωσης Doλ , D1 και D2 του συστήµατος και των σωµάτων Σ1 και Σ2 αντίστοιχα.

ϐ. Να τοποθετήσετε το σύστηµα σε µια τυχαία ϑέση της ταλάντωσης του, να σχεδιάσετε και να περιγράψετε σε τρία κατάλληλα σχήµατα τις δυνάµεις, που δέχονται : i) το σύστηµα Σ1 –Σ2 , ii) το Σ1 και iii) το Σ2 .

γ. Να παραστήσετε γραφικά την αλγεβρική τιµή της στατικής τριβής από το Σ1 στο Σ2 σε συνάρτηση µε την αποµάκρυνση x από τη ϑέση ισορροπίας του, για πλάτος ταλάντωσης A = 3cm.

δ. Να υπολογίσετε τη µέγιστη τιµή της αρχικής ταχύτητας εκτόξευσης Vmax , του συστήµατος των Σ1 , Σ2 ώστε το σώµα Σ2 να µην ολισθήσει πάνω στο σώµα Σ1 . ∆ίνεται η επιτάχυνση της ϐαρύτητας g = 10m/s2 και ο συντελεστής στατικής τριβής µεταξύ των δύο σωµάτων Σ1 και Σ2 είναι µσ = 0, 5. 146


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

∆.6. Τα ιδανικά ελατήρια του σχήµατος έχουν σταθερές k1 = 300N/m και k2 = 600N/m και τα σώµατα Σ1 και Σ2 , αµελητέων διαστάσεων, που είναι δεµένα στα άκρα των ελατηρίων, έχουν µάζες m1 = 3kg και m2 = 1kg . Τα δύο ελατήρια ϐρίσκονται αρχικά στο ϕυσικό τους µήκος και τα σώµατα σε επαφή. Εκτρέπουµε από τη ϑέση ισορροπίας του το σώµα Σ1 κατά d = 0, 4m συµπιέζοντας το ελατήριο k1 και το αφήνουµε ελεύθερο. Κάποια στιγµή συγκρούεται µε το Σ2 και κολλά σ’ αυτό. Τα σώµατα κινούνται σε λείο οριζόντιο επίπεδο και η διάρκεια της κρούσης ϑεωρείται αµελητέα.

α. Να υπολογίσετε σε πόσο χρόνο και µε τι ταχύτητα το σώµα Σ1 ϑα συγκρουστεί µε το σώµα Σ2 . ϐ. Να δείξετε ότι το συσσωµάτωµα Σ1 –Σ2 ϑα εκτελέσει απλή αρµονική ταλάντωση και να υπολογίσετε την σταθερά της. γ. Να υπολογίσετε το πλάτος της ταλάντωσης του συσσωµατώµατος. δ. Να γράψετε την εξίσωση της αποµάκρυνσης του συσσωµατώµατος σε συνάρτηση µε το χρόνο, ϑεωρώντας ως αρχή του χρόνου τη στιγµή αµέσως µετά την κρούση. ε. Σε πόσο χρόνο από τη στιγµή που αφήσαµε το σώµαm1 ϑα µηδενιστεί η ταχύτητα του συσσωµατώµατος για 2η ϕορά και πόση απόσταση ϑα έχει διανύσει το m1 µέχρι τότε·

∆.7. Στο παρακάτω σχήµα το σώµα µάζας m = 10kg ισορροπεί δεµένο στο κάτω άκρο του αβαρούς νήµατος το πάνω άκρο του οποίου είναι δεµένο στο κάτω άκρο του κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k = 10N/cm α. Σχεδιάστε τις δυνάµεις, που ασκούνται στο σώµα και αιτιολογήστε γιατί η δύναµη ελατηρίου στο νήµα είναι ίση µε την τάση του νήµατος στο σώµα. ϐ. Υπολογίστε την επιµήκυνση ∆` του ελατηρίου. Θεωρήστε ότι g = 10m/s2 . Τραβάµε το σώµα κατακόρυφα προς τα κάτω από τη Θ.Ι. του, µεταφέροντας ενέργεια στο σώµα Eµτ = 5J και το αφήνουµε να ταλαντωθεί. 147


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

γ. Να αποδείξετε ότι ϑα εκτελέσει γραµµική αρµονική ταλάντωση και να ϐρείτε το πλάτος ταλάντωσης. δ. Γράψτε την εξίσωση της τάσης του νήµατος στο σώµα σε συνάρτηση µε την αποµάκρυνση x απ’ τη Θέση Ισορροπίας και σχεδιάστε τη γραφική παράσταση της τάσης του νήµατος Τ σε συνάρτηση µε την αποµάκρυνση x, σε κατάλληλα ϐαθµολογηµένους άξονες. ε. Να ϐρείτε το σηµείο της ταλάντωσης στο οποίο η τάση του νήµατος ϑα µηδενισθεί.

∆.8. Σώµα µάζας m = 2kg ισορροπεί δεµένο στο πάνω άκρο κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k = 200N/m, το άλλο άκρο του οποίου είναι στερεωµένο ακλόνητα στο έδαφος. Αποµακρύνουµε το σώµα από τη ϑέση ισορροπίας του (Θ.Ι) προς τα πάνω µέχρι το ελατήριο να αποκτήσει το ϕυσικό του µήκος και √ από τη ϑέση αυτή εκτοξεύουµε το σώµα µε ταχύτητα µέτρου υ = 3m/s και µε ϕορά προς τα κάτω. Η αντίσταση από τον αέρα ϑεωρείται αµελητέα, αρχή µέτρησης του χρόνου (t = 0) λαµβάνουµε τη στιγµή της εκτόξευσης, ϑετική ϕορά λαµβάνουµε προς τα πάνω (τη ϕορά της αρχικής εκτροπής από τη Θ.Ι) και g = 10m/s2 . Το σώµα αµέσως µετά την εκτόξευσή του εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε σταθερά επαναφοράς ίση µε τη σταθερά σκληρότητας του ελατηρίου. α. Να ϐρείτε το µέτρο της µέγιστης δύναµης επαναφοράς καθώς και το µέτρο της µέγιστης δύναµης που ασκεί το ελατήριο στο σώµα κατά τη διάρκεια της ταλάντωσης. ϐ. Να σχεδιάσετε το διάγραµµα της ϕάσης της ταλάντωσης σε συνάρτηση µε το χρόνο. γ. Να σχεδιάσετε τις γραφικές παραστάσεις αποµάκρυνσης, ταχύτητας, επιτάχυνσης σε σχέση µε το χρόνο : χ-τ , υ-τ , α-τ. δ. Να ϐρείτε το µέτρο της √ ταχύτητας του σώµατος όταν η αποµάκρυνσή του από τη Θ.Ι είναι x1 = −0, 1 3m 148


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ε. Να ϐρείτε το χρονικό διάστηµα που χρειάζεται το σώµα για να µεταβεί για 1η ϕορά µετά από τη στιγµή t = 0, σε ακραία ϑέση της ταλάντωσής του. στ. Στο παραπάνω χρονικό διάστηµα να ϐρείτε τη µεταβολή της ορµής του σώµατος, το έργο της δύναµης επαναφοράς καθώς και το έργο της δύναµης του ελατηρίου. Ϲ. Τη χρονική στιγµή t2 κατά την οποία για πρώτη ϕορά, µετά τη στιγµή t = 0, η κινητική ενέργεια του σώµατος γίνεται τριπλάσια της δυναµικής ενέργειας της ταλάντωσης, να ϐρείτε : 1. το ϱυθµό µεταβολής της ορµής 2. το ϱυθµό µεταβολής της κινητικής ενέργειας του σώµατος 3. το ϱυθµό µεταβολής της δυναµικής ενέργειας της ταλάντωσης

∆.9. Το ένα άκρο κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου είναι στερεωµένο σε οριζόντιο επίπεδο. Στο άλλο άκρο του συνδέεται σταθερά σώµα Α µάζας M = 3kg . Πάνω στο σώµα Α είναι τοποθετηµένο σώµα Β µάζας m = 1kg και το σύστηµα ισορροπεί µε το ελατήριο συσπειρωµένο από το ϕυσικό του µήκος κατά y1 = 0, 4m. Στη συνέχεια εκτρέπουµε το σύστηµα κατακόρυφα προς τα κάτω κατά y2 = 0, 8m από τη ϑέση ισορροπίας του και το αφήνουµε ελεύθερο τη χρονική στιγµή t = 0.

α. Να υπολογίσετε την κυκλική συχνότητα ω της ταλάντωσης του συστήµατος και τη σταθερά επαναφοράς D κάθε µιας µάζας ξεχωριστά. ϐ. Να δείξετε ότι το σώµα Β ϑα εγκαταλείψει το σώµα Α και να ϐρείτε τη ϑέση και την ταχύτητα του τότε. ∆ίνεται g = 10m/s2 . 149


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆.10. Λείο κεκλιµένο επίπεδο έχει γωνία κλίσης φ = 30o . Στα σηµεία Α και Β στερεώνουµε τα άκρα δύο ιδανικών ελατηρίων µε σταθερές k1 = 60N/m και k2 = 140N/m αντίστοιχα. Στα ελεύθερα άκρα των ελατηρίων, δένουµε σώµα Σ1 , µάζας m1 = 2kg και το κρατάµε στη ϑέση όπου τα ελατήρια έχουν το ϕυσικό τους µήκος (όπως ϕαίνεται στο σχήµα). Τη χρονική στιγµή t0 = 0 αφήνουµε το σώµα Σ1 ελεύθερο. Πανελλήνιες Εξετάσεις - Μάης 2012

α. Να αποδείξετε ότι το σώµα Σ1 εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση.

ϐ. Να γράψετε τη σχέση που δίνει την αποµάκρυνση του σώµατος Σ1 από τη ϑέση ισορροπίας του σε συνάρτηση µε το χρόνο. Να ϑεωρήσετε ϑετική ϕορά τη ϕορά από το Α προς το Β. Κάποια χρονική στιγµή που το σώµα Σ1 ϐρίσκεται στην αρχική του ϑέση, τοποθετούµε πάνω του (χωρίς αρχική ταχύτητα) ένα άλλο σώµα Σ2 µικρών διαστάσεων µάζας m2 = 6kg . Το σώµα Σ2 δεν ολισθαίνει πάνω στο σώµα Σ1 λόγω της τριβής που δέχεται από αυτό. Το σύστηµα των δύο σωµάτων κάνει απλή αρµονική ταλάντωση.

γ. Να ϐρείτε τη σταθερά επαναφοράς της ταλάντωσης του σώµατος Σ2 .

δ. Να ϐρείτε τον ελάχιστο συντελεστή οριακής στατικής τριβής που πρέπει να υπάρχει µεταξύ των σωµάτων Σ1 και Σ2 , ώστε το Σ2 να µην ολισθαίνει σε σχέση µε το Σ1 . 150


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

∆.11. Στα δύο άκρα λείου επιπέδου στερεώνουµε τα άκρα δύο ιδανικών ελατηρίων µε σταθερές k1 = 60N/m και k2 = 140N/m αντίστοιχα. Στα ελεύθερα άκρα των ελατηρίων, δένουµε ένα σώµα Σ µάζας m = 2kg ώστε τα ελατήρια να έχουν το ϕυσικό τους µήκος (όπως ϕαίνεται στο σχήµα). Εκτρέπουµε το σώµα Σ κατά A = 0, 2m προς τα δεξιά και τη χρονική στιγµή to = 0 αφήνουµε το σώµα ελεύθερο. Πανελλήνιες Εσπερινών Λυκείων - Μάης 2012

α. Να αποδείξετε ότι το σώµα Σ εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. ϐ. Να γράψετε τη σχέση που δίνει την αποµάκρυνση του σώµατος Σ από τη ϑέση ισορροπίας σε συνάρτηση µε το χρόνο. Να ϑεωρήσετε ϑετική την ϕορά προς τα δεξιά. γ. Να εκφράσετε το λόγο της δυναµικής ενέργειας της ταλάντωσης προς τη µέγιστη κινητική ενέργεια σε συνάρτηση µε την αποµάκρυνση x. δ. Τη στιγµή που το ελατήριο ϐρίσκεται στη ϑέση x = A2 αφαιρείται ακαριαία το ελατήριο k2 . Να υπολογίσετε το πλάτος της νέας ταλάντωσης.

∆.12.Σώµα Σ1 µάζας m1 = 1kg ισορροπεί πάνω σε λείο κεκλιµένο επίπεδο που σχηµατίζει µε τον ορίζοντα γωνία φ = 30o . Το σώµα Σ1 είναι δεµένο στην άκρη ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k = 100N/m το άλλο άκρο του οποίου στερεώνεται στη ϐάση του κεκλιµένου επιπέδου, όπως ϕαίνεται στο σχήµα. ΑΡΧΗ 5ΗΣ ΣΕΛΙ∆ΑΣ

Εκτρέπουμε το σώμα Σ 1 κατά d 1 = 0,1m από τη θέση Εκτρέπουµε το σώµα Σ1 κατά d1 =του 0, 1m από τη ϑέση ισορροπίας ισορροπίας του κατά μήκος κεκλιμένου επιπέδου και τοτου κατά µήκος του κεκλιµένου επιπέδου και το αφήνουµε ελεύθερο. αφήνουμε ελεύθερο. Επαναληπτικές Πανελλήνιες - Ιούλης 2010 Γ1. Να αποδείξετε ότι το σώμα Σ 1 εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση. Μονάδες 5 Γ2. Να υπολογίσετε τη μέγιστη τιμή του μέτρου του ρυθμού μεταβολής της ορμής του σώματος Σ 1 . Μονάδες 5 Μετακινούμε το σώμα Σ 1 προς τα κάτω κατά μήκος του κεκλιμένου επιπέδου μέχρι το ελατήριο να συμπιεστεί από το φυσικό του μήκος κατά ∆ℓ = 0,3m. Τοποθετούμε ένα

151


Εκτρέπουμε το σώμα Σ 1 κατά d 1 = 0,1m από τη θέση ισορροπίας του κατά μήκος του κεκλιμένου επιπέδου και το αφήνουμε ελεύθερο. Ε. Καραδηµητρίου Γ1. Να αποδείξετε ότι το σώμα Σ 1 εκτελείΜιχάλης απλή αρμονική ταλάντωση. (α) Να αποδείξετε ότι το σώµα Σ1 εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση. Μονάδες 5 Γ2. Να υπολογίσετε τη μέγιστη τιμή του μέτρου του ρυθμούτης ορµής (ϐ) Να υπολογίσετε τη µέγιστη τιµή του µέτρου του ϱυθµού µεταβολής . μεταβολής της ορμής του σώματος Σ 1 του σώµατος Σ1 . Μονάδες 5 Μετακινούµε το σώµα Σ κατά κεκλιµένου Μετακινούμε το σώματαΣκάτω τα µήκος κάτω του κατά μήκος τουεπιπέδου 1 προς 1 προς µέχρι το κεκλιμένου ελατήριο ναεπιπέδου συµπιεστεί απότοτοελατήριο ϕυσικό του κατάαπό ∆` = 0, 3m. μέχρι να µήκος συμπιεστεί το φυσικό του μήκος κατά ∆ℓ = 0,3m. Τοποθετούμε ένα Τοποθετούµε ένα δεύτερο σώµα Σ2 µάζας m2 = 1kg στο κεκλιµένο επίπεδο, m 2 =Σ1kg στο κεκλιμένο επίπεδο, ώστε να δεύτερο είναι σε σώμα επαφήΣ 2µεμάζας το σώµα 1 , και ύστερα αφήνουµε τα σώµατα ώστε να είναι σε επαφή με το σώμα Σ 1 , και ύστερα αφήνουμε ελεύθερα. τα σώματα ελεύθερα.

Γ3. Να υπολογίσετε τη σταθερά επαναφοράς του σώματος Σ 2 (γ) Να υπολογίσετε σταθεράτης επαναφοράς του του. σώµατος Σ2 κατά τη διάρκεια της κατά τη τη διάρκεια ταλάντωσής ταλάντωσης του. Μονάδες 6 (δ) Να υπολογίσετε σε πόση απόσταση από τη ϑέση που αφήσαµε ελεύθερα τα σώµατα χάνεται η επαφή µεταξύ τους. ΤΕΛΟΣ 5ΗΣ ΑΠΟ 7 ΣΕΛΙ∆ΕΣ

152


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Ηλεκτρικές Ταλαντώσεις 2ο Σετ Ασκήσεων - Φθινόπωρο 2012 Α. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α.1. Ποια µεταβολή ϑα έχουµε στην περίοδο ηλεκτρικών ταλαντώσεων κυκλώµατος L − C , αν διπλασιάσουµε τον συντελεστή αυτεπαγωγής του πηνίου· α. ϑα διπλασιαστεί ϐ. ϑα τετραπλασιαστεί γ. ϑα υποδιπλασιαστεί δ. ϑα υποτετραπλασιαστεί γ. ϑα αυξηθεί κατά 41, 4% δ. ϑα µειωθεί κατά 41, 4%

Α.2. Η περίοδος της ηλεκτρικής ταλάντωσης ς΄ένα κύκλωµα L−C διπλασιάζεται : α. αν διπλασιαστεί η χωρητικότητα του πυκνωτή ϐ. αν διπλασιαστεί ο συντελεστής αυτεπαγωγής του πηνίου γ. αν διπλασιαστεί το αρχικό ϕορτίο του πυκνωτή δ. αν τετραπλασιαστεί η χωρητικότητα του πυκνωτή

Α.3. ΄Ενα κύκλωµα L − C εκτελεί ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Στην διάρκεια της µιας περιόδου η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου που είναι αποθηκευµένη στον πυκνωτή µεγιστοποιείται α. µια ϕορά ϐ. δύο ϕορές γ. τρεις ϕορές δ. τέσσερις ϕορές 153


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.4. ΄Ενα κύκλωµα L − C εκτελεί ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Στην διάρκεια της µιας περιόδου η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου που είναι αποθηκευµένη στον πυκνωτή γίνεται ίση µε την ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο α. µια ϕορά ϐ. οκτώ ϕορές γ. δύο ϕορές δ. τέσσερις ϕορές

Α.5.Κατά την διάρκεια µιας ηλεκτρικής ταλάντωσης σε ένα ιδανικό κύκλωµα L−C , ποια από τα παρακάτω µεγέθη µεταβάλλονται· α. το ϕορτίο του πυκνωτή ϐ. η χωρητικότητα του πυκνωτή γ. η ένταση του ϱεύµατος που διαρρέει το πηνίο δ. ο συντελεστής αυτεπαγωγής του πηνίου γ. η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου στον πυκνωτή δ. η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο ε. η ενέργεια της ταλάντωσης

Α.6.Κάποια χρονική στιγµή η πολικότητα του πυκνωτή και η ϕοϱά του ϱεύµατος σε ένα κύκλωµα L − C είναι όπως στο επόµενο σχήµα. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις, που αναφέρονται σε αυτή την χρονική στιγµή είναι σωστές·

α. Η τιµή της έντασης του ϱεύµατος αυξάνεται, το ίδιο και η τιµή του ϕορτίου του πυκνωτή. ϐ. Η τιµή της έντασης του ϱεύµατος µειώνεται και η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου αυξάνεται. 154


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου γ. Η τιµή της έντασης του ϱεύµατος αυξάνεται, η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου αυξάνεται και η τιµή του ηλεκτρικού ϕορτίου µειώνεται. δ. Η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου αυξάνεται και η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου µειώνεται γ. Η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου και η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου αυξάνονται.

Α.7.Σε ένα ιδανικό κύκλωµα L − C κάποια χρονική στιγµή η πολικότητα η πολικότητα του πυκνωτή και η ϕορά του ηλεκτρικού ϱεύµατος είναι αυτή του σχήµατος. Εκείνη την στιγµή συµβαίνει µετατροπή ενέργε��ας :

α. µαγνητικής σε ηλεκτρική ϐ. ηλεκτρικής σε µαγνητική γ. ηλεκτρικής και µαγνητικής σε ϑερµική

Α.8. Στο κύκλωµα L − C του σχήµατος, την χρονική στιγµή t = 0 κλείνουµε τον διακόπτη. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές·

α. T = 2π ϐ. ω =

q

L C

√1 LC

γ. f = 2π LC

δ. T = 2π LC 155


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.9. Σε ένα κύκλωµα L − C που εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις την χρονική στιγµή t = 0 κλείνουµε τον διακόπτη. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανϑασµένες ; α. Το ϕορτίο του πυκνωτή δίνεται από την σχέση q = Qηµ(ωt + π2 ) ϐ. Η ένταση του ϱεύµατος δίνεται από την σχέση i = −Iηµ(ωt) γ. Η µέγιστη τιµή της έντασης του ϱεύµατος δίνεται από την σχέση I = 2πf Q, όπου f η συχνότητα των ταλαντώσεων δ. ΄Οταν q =

Q , 2

τότε i =

± Q2

q

3 LC

Α.10. Στο διπλανό κύκλωµα την χρονική στιγµή t = 0 κλεινουµε τον διακόπτη. Ποιες από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές και ποιες λανθασµένες ;

α. Την χρονική στιγµή t = 0 η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο είναι µέγιστη. ϐ. ΄Οσο χρόνο διαρκεί η εκφόρτιση του πυκνωτή η αποθηκευµένη σε αυτόν ηλεκτρική ενέργεια ελαττώνεται και µετατρέπεται σε ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο. γ. Τη χρονική στιγµή που το ϕορτίο στον πυκνωτή είναι µηδέν η ένταση του ϱεύµατος στο πηνίο γίνεται µέγιστη. δ. Η ενέργεια του κυκλώµατος µειώνεται εκθετικά µε τον χρόνο. 156


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Α.11. Ιδανικό κύκλωµα L − C εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Τη χρονική στιγµή t = 0 το ϕορτίο του πυκνωτή είναι µέγιστο και το ϱεύµα του κυκλώµατος µηδέν. Να επιλέξετε τις σωστές από τις παρακάτω προτάσεις. α. Το πλάτος Ι της έντασης του ϱεύµατος και το πλάτος Q του ϕορτίου του πυκνωτή ικανοποιούν τη σχέση : I = 2π√QLC ϐ. Θετική ϑεωρείται η ϕορά του ϱεύµατος όταν αυτό κατευθύνεται προς τον οπλισµό του πυκνωτή ο οποίος τη χρονική στιγµή t = 0 ήταν ϑετικά ϕορτισµένος. γ. Για την ενέργεια UE του πυκνωτή και την ενέργεια UB του πηνίου ισχύει κάθε στιγµή η σχέση : UB + UE = L2 I 2 δ. Η ενέργεια του πυκνωτή γίνεται ίση µε την ενέργεια του πηνίου 4 ϕορές σε µία περίοδο ταλάντωσης του κυκλώµατος. γ. Η ολική ενέργεια της ταλάντωσης είναι κάθε στιγµή ίση µε το µισό της αρχικής ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή.

Α.12.Η περίοδος µε την οποία ταλαντώνεται ένα κύκλωµα L − C είναι . Τη στιγµή µηδέν η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή είναι µηδέν. Η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου του πηνίου ϑα γίνει για πρώτη ϕορά ίση µε µηδέν µετά από χρόνο : α.

T 8

ϐ. T4

γ. 3T 8

δ. 3T 4

Β. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής µε αιτιολόγηση Β.1. Ιδανικό κύκλωµα L − C εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Να αποδείξετε ότι η στιγµιαία τιµή της έντασης του ϱεύµατος στο κύκλωµα δίνεται σε συνάρτηση p µε το στιγµιαίο ϕορτίο του πυκνωτή από τη σχέση : i = ±ω Q2 − q 2 Β.2. Το ιδανικό κύκλωµα L − C του σχήµατος εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις, µε περίοδο T .Τη χρονική στιγµή t = 0 ο πυκνωτής είναι αφόρτιστος και το κύκλωµα διαρρέεται από ϱεύµα µε τη ϕορά που έχει σχεδιαστεί στο σχήµα. Το ϕορτίο του οπλισµού Λ του πυκνωτή, τη χρονική στιγµή t1 = t0 + 3T 4 , ϑα είναι : α. µέγιστο ϑετικό 157


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ϐ. µηδέν γ. µέγιστο αρνητικό Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.3. Στο σχήµα ϕαίνονται οι γραφικές παραστάσεις των χρονικών εξισώσεων ϕορτίου q − t , στη χρονική διάρκεια 0 έως t0 , για δύο ιδανικά κυκλώµατα L − C . Οι συντελεστές αυτεπαγωγής των πηνίων στα δύο κυκλώµατα συνδέονται µε τη σχέση L2 = 4L1 . Η σχέση που συνδέει τις χωρητικότητες των δύο πυκνωτών είναι :

α. C2 =

C 9

ϐ. C2 =

C 4

γ. C2 =

C 3

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.4. ∆ιαθέτουµε δύο κυκλώµατα ηλεκτρικών ταλαντώσεων, τα Α και Β. Οι χωρητικότητες των πυκνωτών στα δύο κυκλώµατα είναι ίσες. Στο σχήµα παριστάνεται η ένταση του ϱεύµατος στα κυκλώµατα Α και Β, σε συνάρτηση µε το χρόνο. Αν η ολική ενέργεια του κυκλώµατος Α είναι Ε , η ολική ενέργεια του κυκλώµατος Β είναι : α.

4E 9

ϐ.

2E 3

γ.

9E 4

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 158


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β.5. Στο κύκλωµα του σχήµατος, αρχικά ο διακόπτης ∆ είναι κλειστός, ο πυκνωτής είναι αφόρτιστος και το κύκλωµα διαρϱέεται από σταθερό ϱεύµα.΄Οταν ανοίξουµε το διακόπτη, ο πυκνωτής :

α. ϑα παραµείνει αφόρτιστος. ϐ. ϑα ϕορτιστεί, µε τον οπλισµό Κ να αποκτά πρώτος ϑετικό ϕορτίο. γ. ϑα ϕορτιστεί, µε τον οπλισµό Λ να αποκτά πρώτος ϑετικό ϕορτίο. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.6.΄Ενα ιδανικό κύκλωµα L − C (1) έχει πυκνωτή µε χωρητικότητα C και πηνίο µε συντελεστή αυτεπαγωγής L , ενώ ένα άλλο ιδανικό κύκλωµα L − C (2) έχει τον ίδιο πυκνωτή, αλλά πηνίο µε συντελεστή αυτεπαγωγής 4L. Φορτίζουµε τον πυκνωτή του κυκλώµατος (1) µε πηγή τάσης V και τον πυκνωτή του κυκλώµατος (2) µε πηγή τάσης 2V και τα διεγείρουµε ώστε να εκτελούν αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Ο λόγος των ενεργειών στα δυο 2 κυκλώµατα E E1 ϑα είναι : α. 1 159


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ϐ. 2

γ. 4

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.7. ΄Οταν σε ένα κύκλωµα έχουµε δύο πυκνωτές συνδεδεµένους όπως στο διπλανό σχήµα, το σύστηµα αυτό ισοδυναµεί µε ένα πυκνωτή χωρητικότητας C = C1 +C2 και συνολικό ϕορτίο q = q1 + q2 (παράλληλη σύνδεση πυκνωτών). Το παρακάτω κύκλωµα, όπου C2 = 3C1 , εκτελεί αµείωτη ηλεκτρική ταλάντωση µε ενέργεια Ε και περίοδο Τ οπότε διαρρέεται από ϱεύµα έντασης της µορφής i = Iσυν(ωt), µε το διακόπτη δ κλειστό. Τη χρονική στιγµή t1 = T3 , όπου Τ η περίοδος της ταλάντωσης ανοίγουµε το διακόπτη δ. (πηγή :ylikonet.gr )

ι. Το πηνίο ϑα συνεχίσει να διαρρέεται από εναλλασσόµενο ϱεύµα µε πεϱίοδο : α)T1 = T , ϐ) T1 = T2 , γ)T1 = T3 . Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

ιι. Η ενέργεια της νέας ηλεκτρικής ταλάντωσης είναι ίση µε : 9 7 4 α) E1 = E , ϐ) E1 = 16 E, γ) E1 = 16 E, δ) E1 = 16 E

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 160


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Γ.Ασκήσεις Γ.1. Ιδανικό κύκλωµα περιλαµβάνει πυκνωτή χωρητικότητας C , ιδανικό πηνίο µε συντελεστή αυτεπαγωγής L και διακόπτη, που είναι αρχικά ανοικτός. Φορτίζουµε τον πυκνωτή µε ϕορτίο Q = 100µC και κλείνουµε το διακόπτη, οπότε το κύκλωµα εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Κάποια χρονική στιγµή t το ϕορτίο του αρχικά ϑετικά ϕορτισµένου οπλισµού του πυκνωτή είναι q = 60µC και συνεχίζει να αυξάνεται. Την ίδια στιγµή η ένταση του ϱεύµατος στο κύκλωµα είναι i = 80mA . Να υπολογίσετε : α. τη γωνιακή συχνότητα της ηλεκτρικής ταλάντωσης. ϐ. το ϱυθµό µε τον οποίο το ϕορτίο αποθηκεύεται στον ϑετικό οπλισµό του πυκνωτή τη χρονική στιγµή t. γ. το ϱυθµό µεταβολής της έντασης του ϱεύµατος στο κύκλωµα τη χρονική στιγµή t.

Γ.2. Πυκνωτής χωρητικότητας C ϕορτίζεται από ηλεκτρική πηγή συνεχούς τάσης. Στη συνέχεια αποσυνδέουµε την πηγή ϕόρτισης και συνδέουµε τα άκρα του µε αγωγούς µηδενικής αντίστασης σε ιδανικό πηνίο, που έχει συντελεστή αντεπαγωγής L = 0, 4H , µέσω διακόπτη. Τη χρονική στιγµή t = 0 κλείνουµε το διακόπτη, οπότε το κύκλωµα αρχίζει να εκτελεί ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Η εξίσωση του ϕορτίου του πυκνωτή δίνεται από τη σχέση q = 0, 4συν(1000t)µC . α. Να υπολογίσετε την χωρητικότητα του πυκνωτή. ϐ. Να γράψετε την εξίσωση της έντασης του ϱεύµατος που διαρρέει το κύκλωµα σε συνάρτηση µε το χρόνο. γ. Να υπολογίσετε την τιµή της ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή όταν η τιµή της έντασης του ϱεύµατος είναι 0, 210−3 A. 161


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Γ.3.

Ιδανικό κύκλωµα περιλαµβάνει πυκνωτή χωρητικότητας C = 40µC , ιδανικό πηνίο µε συντελεστή αυτεπαγωγής L = 4mH και διακόπτη, που είναι αρχικά ανοικτός. Φορτίζουµε τον πυκνωτή σε τάση V = 100volt και τη χρονική στιγµή κλείνουµε το διακόπτη, οπότε το κύκλωµα εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις. α. Να υπολογίσετε τη γωνιακή συχνότητα της ταλάντωσης. ϐ. Να υπολογίσετε τη µέγιστη τιµή της έντασης του ϱεύµατος που διαρρέει το πηνίο. γ. Να γράψετε τις χρονικές εξισώσεις του ϕορτίου και της έντασης του ϱεύµατος. δ. Να υπολογίσετε την (ολική) ενέργεια της ταλάντωσης.

Γ.4. Σε ένα ιδανικό ηλεκτρικό κύκλωµα το πηνίο έχει συντελεστή αυτεπαγωγής L = 4mH , ενώ ο πυκνωτής έχει χωρητικότητα C = 160µF . Στο κύκλωµα υπάρχει διακόπτης ∆, ο οποίος αρχικά είναι ανοικτός. Ο πυκνωτής ϕορτίζεται πλήρως και τη χρονική στιγµή t = 0 ο διακόπτης κλείνει, οπότε το κύκλωµα κάνει αµείωτη ηλεκτρική ταλάντωση. Η ολική ενέργεια του κυκλώµατος είναι E = 2 · 10−5 J . Να υπολογίσετε : α. Την περίοδο Τ της ταλάντωσης. ϐ. Τη µέγιστη τιµή της έντασης του ϱεύµατος στο κύκλωµα. γ. Το ϕορτίο του πυκνωτή τη χρονική στιγµή t1 , κατά την οποία η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή γίνεται για δεύτερη ϕορά ίση µε την ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο. δ. Την παραπάνω χρονική στιγµή t1 .

Γ.5. Στο κύκλωµα του σχήµατος δίνονται : πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναµης E = 5V µηδενικής εσωτερικής αντίστασης, πυκνωτής χωρητικότητας C = 8 · 10−6 F , πηνίο µε συντελεστή αυτεπαγωγής L = 2 · 10−2 H . Αρχικά ο διακόπτης ∆1 είναι κλειστός και ο διακόπτης ∆2 ανοιχτός (Πανελλήνιες Εξετάσεις - Μάης 2010) α. Να υπολογίσετε το ϕορτίο Q του πυκνωτή. 162


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Ανοίγουµε το διακόπτη ∆1 και τη χρονική στιγµή τ=0 κλείνουµε το διακόπτη ∆2. Το κύκλωµα LC αρχίζει να εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις. ϐ. Να υπολογίσετε την περίοδο των ηλεκτρικών ταλαντώσεων. γ. Να γράψετε την εξίσωση σε συνάρτηση µε το χρόνο για την ένταση του ηλεκτρικού ϱεύµατος που διαρρέει το πηνίο. δ. Να υπολογίσετε το ηλεκτρικό ϕορτίο του πυκνωτή τη χρονική στιγµή κατά την οποία η ενέργεια του µαγνητικού πεδίου στο πηνίο είναι τριπλάσια από την ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου στον πυκνωτή.

Γ.5. Πυκνωτής ϕορτίζεται από πηγή µε ΗΕ∆ E = 100V olt. Ο πυκνωτής ϕορτίζεται και η µέγιστη τιµή της ηλεκτρικής ενέργειας που αποθηκεύεται σε αυτόν ισούται µε UEmax = 5 · 10−3 J . Να υπολογίσετε : α. την χωρητικότητα του πυκνωτή Αποσυνδέουµε τον πυκνωτή από την πηγή και τον συνδέουµε µε πηνίο αυτεπαγωγής L = 10mH , οπότε το κύκλωµα αρχίζει να εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Να υπολογίσετε : ϐ. την συχνότητα των ηλεκτρικών ταλαντώσεων γ. την απόλυτη τιµή της τάσης στα άκρα του √ πυκνωτή την χρονική στιγµή που η ένταση του ϱεύµατος ισούται µε i1 = 0, 5 3A. δ. το πηλίκο της ενέργειας του µαγνητικού πεδίου προς την ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή την στιγµή κατά την οποία η ένταση του ϱεύµατος που διαρρέει το κύκλωµα ισούται µε το µισό της µέγιστης τιµής της. 163


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆. Προβλήµατα ∆.1. Στο κύκλωµα του παρακάτω σχήµατος η ηλεκτρική πηγή έχει ΗΕ∆ E = 20volt και εσωτερική αντίσταση r = 1Ω, ο αντιστάτης έχει αντίσταση R = 9Ω , ο πυκνωτής έχει χωρητικότητα C = 10µF και το πηνίο έχει συντελεστή αυτεπαγωγής L = 16mH . Ο µεταγωγός διακόπτης είναι αρχικά στη ϑέση (1) και το πηνίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ϱεύµα σταθερής έντασης. Τη χρονική στιγµή t = 0 , µεταφέρουµε απότοµα το διακόπτη στη ϑέση (2) χωρίς να δηµιουργηθεί σπινθήρας, οπότε στο ιδανικό κύκλωµα L − C διεγείρεται αµείωτη ηλεκτρική ταλάντωση.

α. Να ϐρείτε τη σταθερή ένταση του ϱεύµατος που διαρρέει το πηνίο καθώς και την αποθηκευµένη ενέργεια µαγνητικού πεδίου όταν ο διακόπτης ϐρίσκεται στη ϑέση (1). ϐ. Ποιος οπλισµός του πυκνωτή ϑα ϕορτιστεί πρώτος ϑετικά και γιατί· Ποιά χρονική στιγµή ο οπλισµός ∆ του πυκνωτή ϑα αποκτήσει για πρώτη ϕορά µέγιστο ϕορτίο µε αρνητική πολικότητα· Ποια χρονική στιγµή το πηνίο για πρώτη ϕορά ϑα διαρρέεται από ϱεύµα µέγιστης τιµής και ϕοράς από το Β προς το Α· γ. Να γράψετε τις εξισώσεις που περιγράφουν πως µεταβάλλονται σε σχέση µε το χρόνο στο Σ.Ι. το ϕορτίο του οπλισµού ∆ του πυκνωτή και η ένταση του ϱεύµατος. δ. Να ϐρείτε το µέτρο του ϱυθµού µεταβολής της έντασης του ϱεύµατος τη στιγµή που η ένταση του ϱεύµατος στο κύκλωµα είναι µηδέν. 164


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

∆.2. Στο κύκλωµα του σχήµατος, ο πυκνωτής (1) έχει χωρητικότητα C1 = 16µF και είναι ϕορτισµένος από πηγή µε ΗΕ∆ E = 50volt, και πολικότητα όπως στο σχήµα. Το πηνίο έχει συντελεστή αυτεπαγωγής L = 10mH , ενώ ο πυκνωτής (2) , µε χωρητικότητα C2 = 4µF , είναι αρχικά αφόρτιστος.

1) Τη χρονική στιγµή ο διακόπτης µεταφέρεται στη ϑέση (1) και το κύκλωµα L − C1 αρχίζει να εκτελεί αµείωτη ηλεκτρική ταλάντωση. α. Να γράψετε την εξίσωση του ϕορτίου του πυκνωτή σε συνάρτηση µε τον χρόνο για το κύκλωµα L − C1 . ϐ. Να ϐρείτε τη χρονική στιγµή t1 = 3π · 10−4 s , την ένταση του ϱεύµατος στο κύκλωµα L − C1 καθώς και την ενέργεια του µαγνητικού πεδίου του πηνίου. 2) Τη χρονική στιγµή ο διακόπτης µεταφέρεται ακαριαία στη ϑέση (2) χωρίς να ξεσπάσει σπινθήρας και ταυτόχρονα µηδενίζουµε το χρονόµετρο. Το κύκλωµα L − C2 αρχίζει να εκτελεί αµείωτη ηλεκτρική ταλάντωση. Θεωϱώντας πάλι ως t = 0 τη χρονική στιγµή που αλλάζει ϑέση ο διακόπτης : α. να ϐρείτε σε πόσο χρονικό διάστηµα ϑα ϕορτιστεί πλήρως ο πυκνωτής (2) καθώς και ποιος οπλισµός του, ο Μ ή ο Ν, ϑα αποκτήσει πρώτος ϑετικό ϕορτίο. ϐ. για το κύκλωµα L − C2 , να γράψετε τις εξισώσεις που δίνουν σε σχέση µε το χρόνο το ϕορτίο του οπλισµού Μ καθώς και την ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή (2). 165


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆.3. Στο κύκλωµα του σχήµατος, ο πυκνωτής έχει χωρητικότητα C = 20µF και είναι ϕορτισµένος από πηγή µε ΗΕ∆ E = 10volt, και πολικότητα όπως στο σχήµα. Τα πηνία έχουν συντελεστή αυτεπαγωγής L1 = 8mH και L2 = 2mH .

1) Τη χρονική στιγµή ο µεταγωγός διακόπτης δ µεταβαίνει στη ϑέση (1) και το κύκλωµα L1 − C αρχίζει να εκτελεί αµείωτη ηλεκτρική ταλάντωση. α. Να γράψετε τις χρονικές εξισώσεις, που δίνουν το ϕορτίο του πυκνωτή και την ένταση του ϱεύµατος, στο (S.I.). Πόση είναι η ολική ενέργεια της ηλεκτρικής ταλάντωσης του κυκλώµατοςL1 − C · ϐ. Να υπολογίσετε το ϕορτίο και την ένταση του ϱεύµατος τη χρονική στιγµή

t1 =

16π 3

· 10−4 s

2) Τη χρονική στιγµή t1 ο διακόπτης µεταβαίνει ακαριαία στη ϑέση (2), χωϱίς να ξεσπάσει ηλεκτρικός σπινθήρας. α. Θεωρώντας πάλι ως t = 0 τη χρονική στιγµή που αλλάζει ϑέση ο διακόπτης, να γράψετε τη σχέση έντασης ϱεύµατος-χρόνου για το κύκλωµα . Πόση είναι τώρα η ολική ενέργεια E2 του κυκλώµατος L − C2 · ϐ. Να υπολογίσετε τον ϱυθµό µεταβολής της ενέργειας µαγνητικού πεδίου του πηνίου L2 , τη χρονική στιγµή t2 = 5π · 10−4 s . 4

∆.4. Στο παρακάτω κύκλωµα η ηλεκτρική πηγή έχει ΗΕ∆ E = 50volt και εσωτερική αντίσταση r = 1Ω, οι αντιστάτες έχουν αντίσταση R1 = 4Ω και R2 = 5Ω , ο πυκνωτής έχει χωρητικότητα C = 10µF και το πηνίο έχει συντελεστή αυτεπαγωγής L = 4mH . Αρχικά ο µεταγωγός διακόπτης δ είναι στη ϑέση (1) και οι αντιστάτες διαρρέονται από ϱεύµα σταθερής έντασης. Τη χρονική στιγµή t = 0 µετακινούµε το διακόπτη στη ϑέση (2), χωρίς να δηµιουργηϑεί σπινθήρας, οπότε το ιδανικό κύκλωµα L−C αρχίζει να εκτελεί αµείωτες ηλεκτρικές 166


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

ταλαντώσεις. α. Να ϐρείτε την ένταση του ϱεύµατος, που διαρρέει την πηγή καθώς και το ϕορτίο, που έχει αποθηκευτεί στον πυκνωτή όταν οι αντιστάτες διαρρέονται από σταθερό ϱεύµα. ϐ. Να ϐρείτε το λόγο της έντασης του ϱεύµατος , που διέρρεε αρχικά την πηγή προς τη µέγιστη ένταση του ϱεύµατος, που διαρρέει το κύκλωµα της ηλεκτρικής ταλάντωσης. γ. Να γράψετε τις εξισώσεις, που δίνουν τις ενέργειες του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή και του µαγνητικού πεδίου του πηνίου σε συνάρτηση µε το χρόνο. δ. Να ϐρείτε τις χρονικές στιγµές στις οποίες οι ενέργειες ηλεκτρικού και µαγνητικού πεδίου είναι ίσες στη διάρκεια της πρώτης περιόδου της ταλάντωσης.

∆.5. Για το κύκλωµα του σχήµατος δίνεται : C1 = 10−4 F, C2 = 4·10−4 F και L = 1H . Οι διακόπτες (δ1), (δ2) είναι αρχικά ανοικτοί και οι√πυκνωτές είναι ϕορτισµένοι µε ϕορτία Q1 = 10−2 C και Q2 = 210−2 C ∆ίνεται ότι οι πάνω οπλισµοί είναι αρχικά ϑετικά ϕορτισµένοι. (πηγή :ylikonet.gr )

α. Να ϐρεθεί ο λόγος των τάσεων των δύο πυκνωτών. ϐ. Κάποια στιγµή που ϑεωρούµε t = 0 κλείνει ο (δ1) ενώ ο (δ2) παραµένει ανοικτός. Να υπολογίσετε το ϱυθµό µεταβολής της τάσης του πηνίου, το ϱυθµό µεταβολής της έντασης του ϱεύµατος και το ϱυθµό µεταβολής της ενέργειας του µαγνητικού 167


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου πεδίου του πηνίου τη χρονική στιγµή όπου η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή είναι τριπλάσια από την ενέργεια του µαγνητικού πεδίου του πηνίου για πρώτη ϕορά. γ. Τη χρονική στιγµή t1 = 1, 75π · 10−2 s ανοίγει ο (δ1) και ταυτόχρονα κλείνει ο (δ2), χωρίς απώλειες ενέργειας. Πόση ενέργεια παραµένει αποθηκευµένη στον πυκνωτή C1 · Να γραφούν οι χρονικές εξισώσεις της έντασης του ϱεύµατος i2 = f (t) και του ϕορτίου του πυκνωτή q2 = f (t), ϑεωρώντας ως ϑετική ϕορά για το ϱεύµα τη ϕορά του ϱεύµατος στο πηνίο τη στιγµή t1 . Για τις εξισώσεις αυτές να ϑεωρήσετε ως αρχή µέτρησης του χρόνου t = 0 τη στιγµή που ανοίγει ο (δ1) και ταυτόχρονα κλείνει ο (δ2). δ. ∆οκιµάστε να γράψετε τις ίδιες εξισώσεις διατηρώντας την αρχή µέτρησης του χρόνου t = 0 ίδια µε αυτή του ερωτήµατος ( Β )

∆.6. Για το ηλεκτρικό κύκλωµα του σχήµατος, δίνονται C1 =4µF , C2 = 1µF , ενώ το ιδανικό πηνίο έχει αυτεπαγωγή L = 0, 09H . Φορτίζουµε τον πρώτο πυκνωτή, κλείνοντας το διακόπτη δ1 από πηγή τάσης V = 30V και κατόπιν ανοίγουµε το διακόπτη. Τη χρονική στιγµή t0 = 0 κλείνουµε τον διακόπτη δ2. (πηγή :ylikonet.gr )

Α. Για την χρονική στιγµή t1 = 5π · 10−4 s, να ϐρεθούν : α. Η ένταση του ϱεύµατος που διαρρέει το κύκλωµα και η τάση στα άκρα του πηνίου. ϐ. Ο ϱυθµός µεταβολής της έντασης του ϱεύµατος. γ. Οι ϱυθµοί µεταβολής της ενέργειας του πυκνωτή και του πηνίου. Β. Την χρονική στιγµή t1 , µέσω ενός αυτόµατου ηλεκτρονικού συστήµατος, ανοίγει ο διακόπτης δ2 και ταυτόχρονα κλείνει ο διακόπτης δ3. α. Αµέσως µετά το κλείσιµο του διακόπτη δ3, να ϐρεθεί ο ϱυθµός µεταβολής της έντασης του ϱεύµατος που διαρρέει το πηνίο. ϐ. Να γίνει το διάγραµµα i = f (t) της έντασης του ϱεύµατος που διαρρέει το πηνίο σε συνάρτηση µε το χρόνο από t0 , µέχρι τη στιγµή t2 = 11π · 10−4 s.

168


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Φθίνουσες - Εξαναγκασµένες - Σύνθεση 3ο Σετ Ασκήσεων - Φθινόπωρο 2012 Α. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α.1.Σε έναν ταλαντούµενο σύστηµα, εκτός από την ελαστική δύναµη επαναφοράς, ενεργεί και δύναµη αντίστασης F 0 = −bυ . ΄Οταν αυξάνεται η σταθερά απόσβεσης b, η περίοδος της ϕθίνουσας ταλάντωσης : α. διατηρείται σταθερή. ϐ. αυξάνεται. γ. µειώνεται. δ. αρχικά αυξάνεται και στη συνέχεια µειώνεται.

Α.2.Σε µια ϕθίνουσα ταλάντωση, µε ορισµένη σταθερά απόσβεσης b, µε την πάροδο του χρόνου : α. το πλάτος µειώνεται και η περίοδος διατηρείται σταθερή. ϐ. το πλάτος διατηρείται σταθερό και η περίοδος µειώνεται. γ. το πλάτος και η περίοδος µειώνονται. δ. το πλάτος και η περίοδος διατηρούνται σταθερά.

Α.3.Σε ένα ταλαντούµενο σύστηµα, εκτός από τη δύναµη επαναϕοράς, ασκείται και µια δύναµη αντίστασης της µορφής F 0 = −bυ . Η ολική ενέργεια του συστήµατος : α. παραµένει σταθερή. ϐ. αυξάνεται µε µειούµενο ϱυθµό. γ. µειώνεται γραµµικά µε το χρόνο. δ. µειώνεται εκθετικά µε το χρόνο. 169


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.4. Αν σε έναν αρµονικό ταλαντωτή, εκτός από τη δύναµη επαναφοράς, ενεργεί και δύναµη αντίστασης F 0 = −bυ , τότε : α. το πλάτος της ταλάντωσης ελαττώνεται γραµµικά µε το χρόνο. ϐ. η περίοδος της ταλάντωσης, για ορισµένη τιµή της σταθεράς απόσβεσης b,διατηρείται σταθερή. γ. ο ϱυθµός µε τον οποίο µειώνεται το πλάτος της ταλάντωσης αυξάνεται, όταν η σταθερά απόσβεσης b µειώνεται. δ. για µεγάλες τιµές της σταθεράς απόσβεσης b, η κίνηση γίνεται απεριοδική.

Α.5.Το πλάτος µιας ϕθίνουσας ταλάντωσης µειώνεται στο µισό σε χρόνο t1 . Σε χρόνο t2 = 3t1 το πλάτος της ταλάντωσης ϑα έχει µειωθεί στο 1/Κ της αρχικής του τιµής, όπου η τιµή του Κ είναι : α. 3 · 22 ϐ. 23 γ. 22 δ. 2 · 3

Α.6.Το πλάτος σε µία ϕθίνουσα ταλάντωση δίνεται από τη σχέση A = A0 e−Λt . Αν τη χρονική στιγµή t1 η ολική ενέργεια της ταλάντωσης είναι E20 , τότε τη χρονική στιγµή t2 = 2t1 η ολική ενέργεια του συστήµατος είναι : α. E0 ϐ.

E0 4

γ.

E0 2

δ.

3E0 4

Α.7.Το πλάτος σε µία ϕθίνουσα ταλάντωση υποδιπλασιάζεται µετά από Ν πλήρεις ταλαντώσεις. Μετά από πόσες ακόµη ταλαντώσεις το πλάτος ϑα έχει γίνει ίσο µε το 1/16 της αρχικής του τιµής : α. Ν ταλαντώσεις 170


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐ. 2Ν ταλαντώσεις γ. 3Ν ταλαντώσεις δ. 4Ν ταλαντώσεις

Α.8.Σε ένα κύκλωµα ηλεκτρικών ταλαντώσεων που εκτελεί ϕθίνουσα ηλεκτρική ταλάντωση. Ποιες από τις παραπάνω προτάσεις είναι σωστές ; α. ο κύριος λόγος της απόσβεσης είναι η αυτεπαγωγή του πηνίου. ϐ. ο κύριος λόγος της απόσβεσης είναι η ωµική αντίσταση του κυκλώµατος. γ. για ορισµένη τιµή της ωµικής αντίστασης, η περίοδος παραµένει σταθερή. δ. το µέγιστο ϕορτίο στον πυκνωτή µειώνεται γραµµικά µε το χρόνο.

Α.9.Η ιδιοσυχνότητα ενός ταλαντωτή εξαρτάται : α. από το πλάτος της ταλάντωσης. ϐ. από τη σταθερά απόσβεσης. γ. από τα ϕυσικά χαρακτηριστικά του συστήµατος. δ. από την αρχική ϕάση.

Α.10. ΄Οταν ένα σύστηµα εκτελεί εξαναγκασµένη ταλάντωση : α. το πλάτος της ταλάντωσης µειώνεται µε το χρόνο. ϐ. η συχνότητα της ταλάντωσης είναι ίση µε την ιδιοσυχνότητα της ταλάντωσης του συστήµατος. γ. το πλάτος της ταλάντωσης εξαρτάται από τη συχνότητα του διεγέρτη. δ. η ενέργεια που µετατρέπεται ανά περίοδο σε ϑερµότητα, λόγω τριβών και αντιστάσεων, αναπληρώνεται από το διεγέρτη.

Α.11.Συντονισµό ονοµάζουµε την κατάσταση της εξαναγκαςµένης ταλάντωσης του αρµονικού ταλαντωτή στην οποία : α. η δυναµική ενέργεια του συστήµατος γίνεται ίση µε την ολική του ενέργεια. ϐ. η ιδιοσυχνότητα του συστήµατος γίνεται µέγιστη. 171


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου γ. η συχνότητα της διεγείρουσας δύναµης είναι περίπου ίση µε την ιδιοσυχνότητα του ταλαντωτή. δ. η συχνότητα της διεγείρουσας δύναµης γίνεται µέγιστη.

Α.12.΄Οταν ένα σύστηµα ϐρίσκεται σε κατάσταση συντονιςµού : α. η ιδιοσυχνότητα του συστήµατος γίνεται µέγιστη. ϐ. η ενέργεια του συστήµατος γίνεται ελάχιστη. γ. το πλάτος της ταλάντωσης του συστήµατος γίνεται µέγιστο. δ. η συχνότητα της εξωτερικής περιοδικής δύναµης γίνεται µέγιστη.

Α.13. Η ιδιοσυχνότητα ενός κυκλώµατος RLC µεταβάλλεται όταν µεταβληθεί : α. η αντίσταση R ϐ. η συχνότητα της εναλλασσόµενης τάσης που το τροφοδοτεί, γ. ο συντελεστής αυτεπαγωγής L, δ. η χωρητικότητα C

Α.14. ϑεωρούµε κύκλωµα RLC σε σειρά που τροφοδοτείται από τάση της µορφής V = V0 ηµ(ωt), της οποίας µπορούµε να µεταβάλλουµε την κυκλική συχνότητα ω. Να αντιστοιχίσετε τις σχέσεις της αριστερής στήλης µε τις εκφράσεις της δεξιάς στήλης. Α.0 < ω < ω0 Β. ω = ω0 Γ. ω > ω0

1. Μεγιστοποίηση της έντασης του ϱεύµατος 2. Αύξηση της ω ϑα οδηγήσει σε ελάττωση του Ι. 3. Αύξηση της ω ϑα οδηγήσει σε αύξηση του Ι.

Α.15. ΄Ενα σύστηµα µε ιδιοσυχνότητα f0 εκτελεί εξαναγκαςµένη ταλάντωση µε συχνότητα f 6= f0 Το πλάτος της ταλάντωσης του συστήµατος εξαρτάται από : α. την ιδιοσυχνότητα f0 ϐ. τη συχνότητα f γ. τη διαφορά |f − f0 | δ. τη σταθερά επαναφοράς του συστήµατος. 172


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Α.16. ΄Ενα κύκλωµα RLC εκτελεί εξαναγκαςµένη ταλάντωση µε σταθερό πλάτος έντασης ϱεύµατος Ι. Ποιες από τις επόµενες προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασµένες· α. Η ενέργεια που απορροφά το κύκλωµα από τον διεγέρτη σε κάθε περίοδο είναι ίση µε 12 LI 2 . ϐ. Η συχνότητα ταλάντωσης του κυκλώµατος είναι ίση µε τη συχνότητα του διεγέρτη. γ. Εφόσον το πλάτος της ταλάντωσης δεν µειώνεται, δεν χρειάζεται να προσφέρουµε ενέργεια στο κύκλωµα για να διατηρήσουµε την ταλάντωση. δ. Για να διατηρείται το πλάτος της ταλάντωσης σταθερό, πρέπει να προσφέρουµε στο κύκλωµα περιοδικά ενέργεια µε συχνότητα απαραίτητα ίση µε την ιδιοσυχνότητα του κυκλώµατος.

Α.17. ΄Ενα υλικό σηµείο εκτελεί ταυτόχρονα δύο Α.Α.Τ. που έχουν ίδια διεύθυνση και περίοδο. Οι δύο ταλαντώσεις έχουν πλάτη 3cm και 4cm, ενώ η συνισταµένη ταλάντωση έχει πλάτος 5cm. Οι δύο ταλαντώσεις έχουν διαφορά ϕάσης : α. Μηδέν ϐ.

π 2

γ.

π 4

δ.

π 3

Α.18. ∆ύο Α.Α.Τ. έχουν αποµακρύνσεις που περιγράφονται από τις εξισώσεις : x1 = A1 ηµ(ωt − π6 ) και x2 = A2 ηµ(ωt + π2 ) α. Η διαφορά ϕάσης των δύο ταλαντώσεων είναι π/6. ϐ. ΄Η διαφορά ϕάσης των δύο ταλαντώσεων είναι 2π/3 γ. Η αποµάκρυνση x2 προηγείται ϕασικά της x1 κατά π/2 . δ. ∆εν µπορούµε να υπολογίσουµε τη διαφορά ϕάσης των δύο ταλαντώσεων, γιατί οι αποµακρύνσεις τους περιγράφονται από διαφορετικές συναρτήσεις. 173


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.19. ΄Ενα υλικό σηµείο εκτελεί ταυτόχρονα δύο Α.Α.Τ. που έχουν την ίδια διεύθυνση και περίοδο και από √ περιγράφονται π π τις εξισώσεις : x1 = Aηµ(ωt + 3 ) και x2 = A 3ηµ(ωt − 6 ) Η εξίσωση της συνισταµένης ταλάντωσης είναι : α. x = Aηµ(ωt) ϐ. x = 2Aηµ(ωt + π6 )

γ. x = A 2ηµ(ωt + π2 ) δ. x = 2Aηµ(ωt)

Α.20. Ποια από τις επόµενες προτάσεις είναι λανθασµένη : α. Το διακρότηµα είναι µία ευθύγραµµη περιοδική κίνηση. ϐ. Η µέγιστη τιµή του πλάτους του διακροτήµατος εξαρτάται από την περίοδο του. γ. Το πλάτος του διακροτήµατος είναι αρµονική συνάρτηση του χρόνου. δ. Η περίοδος του διακροτήµατος είναι το χρονικό διάστηµα που µεσολαβεί µεταξύ δύο διαδοχικών µηδενισµών του πλάτους.

Α.21. Το πλάτος του διακροτήµατος : α. Είναι σταθερό µε τιµή 2Α. 2 ϐ. Υπολογίζεται από τη σχέση A0 = 2Aηµ( ω1 +ω ) 2

γ. Μεταβάλλεται αργά συνηµιτονοειδώς µε το χρόνο έχοντας σαν ακραίες τιµές τις ± 2Α. δ. Μεταβάλλεται µε το χρόνο περιοδικά µε περίοδο Tδ = συχνότητες των συνιστωσών ταλαντώσεων.

1 f1 +f2

όπου f1 και f2 οι

Α.22. ΄Ενα σώµα εκτελεί ταυτόχρονα τις ταλαντώσεις µε εξισώσεις : x1 = Aηµ(2pf1 t) και x2 = Aηµ(2pf2 t) Οι ταλαντώσεις έχουν την ίδια διεύθυνση, την ίδια ϑέση ισορροπίας και συχνότητες που διαφέρουν λίγο µεταξύ τους. α. Το σώµα εκτελεί µία περιοδική κίνηση, η οποία όµως δεν είναι απλή αρµονική ταλάντωση. ϐ. Το πλάτος της συνισταµένης κίνησης µεταβάλλεται αρµονικά µε το χρόνο. 174


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου γ. Η µέγιστη τιµή του πλάτους της συνισταµένης κίνησης είναι 2Α. δ. Ο χρόνος µεταξύ δύο διαδοχικών µηδενισµών του πλάτους είναι σταθερός.

Α.23. Υλικό σηµείο εκτελεί ταυτόχρονα δύο αρµονικές ταλαντώσεις µε την ίδια διεύθυνση, γύρω από την ίδια ϑέση ισορροπίας, ενώ περιγράφονται από τις εξισώσεις : x1 = 10ηµ(202πt) και x2 = 10ηµ(198πt) (x1 , x2 σε cm και t σε s) α. Η κυκλική συχνότητα της συνισταµένης κίνησης του υλικού σηµείου είναι ω =

200rad/s ϐ. Το πλάτος του διακροτήµατος είναι 20 cm γ. Η περίοδος του διακροτήµατος είναι Tδ = 1/2s δ. Σε χρόνο ίσο µε την περίοδο του διακροτήµατος Tδ , η περιοδική κίνηση επαναλαµβάνεται 50 ϕορές.

Α.24. . Στο διάγραµµα του σχήµατος παριστάνονται οι γραφικές παραστάσεις των αποµακρύνσεων δύο Α.Α.Τ. µε πλάτη A1 και A2 , καθώς και η σύνθεση τους.

α. Οι συνιστώσες ταλαντώσεις έχουν την ίδια συχνότητα. ϐ. Η διαφορά ϕάσης ανάµεσα στις δύο συνιστώσες ταλαντώσεις είναι π. γ. Το πλάτος της συνισταµένης ταλάντωσης είναι A = A1 − A2 . δ. Η συνισταµένη ταλάντωση είναι συµϕασική της ταλάντωσης µε πλάτος A2 . 175


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής µε αιτιολόγηση Β.1. Το πλάτος µιας ϕθίνουσας ταλάντωσης δίνεται από τη σχέση A = A0 e−Λt . Ο χρόνος που απαιτείται ώστε η ολική ενέργεια της ταλάντωσης να γίνει η µισή της αρχικής (E = E20 )είναι : α. t =

ln2 Λ

ϐ. t =

ln2 2Λ

γ. t =

Λ ln2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.2.Το πλάτος µιας ϕθίνουσας ταλάντωσης δίνεται από τη σχέση A = A0 e−Λt . Ο χρόνος που απαιτείται ώστε το πλάτος της ταλάντωσης να γίνει το µισό του αρχικού (A = A20 ) είναι : α. t =

ln2 Λ

ϐ. t =

ln4 Λ

γ. t =

Λ ln2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.3.΄Ενα σύστηµα ξεκινά ϕθίνουσες ταλαντώσεις µε αρχική ενέργεια E0 και αρχικό πλάτος A0 . Το έργο της δύναµης αντίστασης µετά από Ν ταλαντώσεις είναι 84 J . ΄Αρα το πλάτος ταλάντωσης µετά από Ν ταλαντώσεις είναι : α.

A0 4

ϐ.

A0 16

γ.

4A0 10

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 176


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β.4. Για ένα σύστηµα που εκτελεί εξαναγκασµένη ταλάντωση µε συχνότητα f = 10Hz , ϐρίσκεται σε κατάσταση συντονισµού και έχει πλάτος ταλάντωσης A = 8cm , ισχύουν τα εξής : α. έχει σταθερά απόσβεσης b = 0. ϐ. έχει απώλειες ενέργειας ανά περίοδο λιγότερες, από αυτές που ϑα είχε αν η συχνότητα του διεγέρτη γίνει 6 Hz . γ. το πλάτος ταλάντωσης µπορεί να γίνει µεγαλύτερο από αυτό που έχει, αρκεί να ελαττώσουµε τη σταθερά απόσβεσης. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.5. ΄Ενας ϱαδιοφωνικός σταθµός εκπέµπει στα 100 M Hz . Αν για τη λήψη αυτού του ηλεκτροµαγνητικού κύµατος χρησιµοποιείται δέκτης µε κύκλωµα R − L − C , στο οποίο το πηνίο έχει συντελεστή αυτεπαγωγής L = 2mH , η τιµή της χωρητικότητας του πυκ��ωτή για την οποία συντονίζεται ο δέκτης είναι : α. C = 12, 5 · 10−6 F ϐ. C = 25 · 10−6 F γ. C = 50 · 10−6 F (∆ίνεται π 2 = 10 Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.6. ΄Ενα σύστηµα εκτελεί εξαναγκασµένη ταλάντωση πλάτους Α και συχνότητας f = 15Hz . Η ιδιοσυχνότητα του συστήµατος είναι 17Hz . Αν η συχνότητα του διεγέρτη γίνει 16Hz τότε το πλάτος της εξαναγκασµένης ταλάντωσης : α. ϑα γίνει µικρότερο από Α. ϐ. ϑα γίνει µεγαλύτερο από Α. γ. ϑα παραµείνει Α. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 177


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.7. ΄Ενα σύστηµα εκτελεί εξαναγκασµένη ταλάντωση συχνότητας f = 30Hz και πλάτους Α . Η ιδιοσυχνότητα του συστήµατος είναι 25 Hz . Αν αυξήσουµε τη σταθερά απόσβεσης b του συστήµατος χωρίς να µεταβάλλουµε τη συχνότητα του διεγέρτη, τότε : α. το πλάτος της εξαναγκασµένης ταλάντωσης ϑα µειωθεί. ϐ. η συχνότητα της εξαναγκασµένης ταλάντωσης ϑα γίνει λίγο µικρότερη από 30Hz . γ. η συχνότητα της εξαναγκασµένης ταλάντωσης ϑα γίνει λίγο µικρότερη από 25 Hz . Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.8. ΄Ενα σώµα εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, γύρω από το ίδιο σηµείο, µε εξισώσεις x1 = 0, 7ηµ2πt και x2 = 0, 4ηµ2πt (όλα τα µεγέθη στο S.I.). Η σύνθετη ταλάντωση περιγράφεται (στο S.I.) από την εξίσωση : α. x = 0, 3ηµ2πt ϐ. x = 1, 1ηµ4πt γ. x = 1, 1ηµ2πt Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.9.΄Ενα σώµα εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, γύρω από το ίδιο σηµείο, µε εξισώσεις x1 = 0, 3ηµ2πt και x2 = 0, 8ηµ(2πt + π) (όλα τα µεγέθη στο S.I.) Η σύνθετη ταλάντωση περιγράφεται από την εξίσωση : α. x = 1, 1ηµ(2πt + π) ϐ. x = 0, 5ηµ2πt γ. x = 0, 5ηµ(2πt + π) Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 178


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β.10.΄Ενα σώµα εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, γύρω από το ίδιο σηµείο και έχουν ίδια ενέργεια (E1 = E2 ), ίδια συχνότητα και ίδια διεύθυνση. Η ολική ενέργεια της σύνθετης ταλάντωσης είναι ίση µε την ενέργεια των δύο ταλαντώσεων (E = E1 = E2 ), όταν η διαφορά ϕάσης των δύο Α.Α.Τ. είναι : α. 0o ϐ. 60o γ. 120o Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.11.΄Ενα σώµα εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης που γίνονται γύρω από το ίδιο σηµείο. Οι εξισώσεις των δύο ταλαντώσεων είναι x1 = 0, 4ηµ(1998πt) και x2 = 0, 4ηµ(2002πt)(S.I.). Ο χρόνος ανάµεσα σε δύο διαδοχικούς µηδενισµούς του πλάτους της ιδιόµορφης ταλάντωσης (διακροτήµατος) του σώµατος είναι : α. 0,5 s ϐ. 1s γ. 2s Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.12. Σώµα εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιου πλάτους και διεύθυνσης. Οι συχνότητες f1 και f2 (f2 > f1 ) αντίστοιχα των δύο ταλαντώσεων διαφέρουν µεταξύ τους 4 Hz , µε αποτέλεσµα να παρουσιάζεται διακρότηµα. Αν η συχνότητα f1 αυξηθεί κατά 8 Hz, ο χρόνος που µεσολαβεί ανάµεσα σε δύο διαδοχικούς µηδενισµούς του πλάτους ϑα : α. παραµείνει ο ίδιος. ϐ. µειωθεί κατά 4 s. γ. αυξηθεί κατά 4 s. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 179


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.13. ΄Ενα σώµα εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης που γίνονται γύρω από το ίδιο σηµείο µε το ίδιο πλάτος Α και συχνότητες που διαφέρουν πολύ λίγο. Αν T1 και T2 είναι αντίστοιχα οι περίοδοι των δύο ταλαντώσεων, τότε η περίοδος της περιοδικής κίνησης που προκύπτει δίνεται από τον τύπο : α. T = |T2 − T1 | ϐ. T =

T2 + T1 2

γ. T =

2T1 T2 T2 + T1

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.14. Σώµα εκτελεί ταυτόχρονα δύο Α.Α.Τ. της ίδιας συχνότητας, που γίνονται γύρω από το ίδιο σηµείο και στην ίδια διεύθυνση. Αν οι εξισώσεις των επιµέρους ταλαντώσεων είναι : x1 = A1 ηµωt(S.I.) και x2 = A2 ηµ(ωt + φ) (S.I.) µε , τότε η αρχική ϕάση φ, ώστε η σύνθετη ταλάντωση να έχει πλάτος (A = A1 = A2 ) είναι : α. φ = 0

2π 3 π γ. φ = 2

ϐ. φ =

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.15. ΄Ενας παρατηρητής ακούει τον ήχο από δύο διαπασών που λειτουργούν ταυτόχρονα και παράγουν ήχους µε συχνότητες f1 = 1000Hz και f2 . Ο παρατηρητής αντιλαµβάνεται τα παραγόµενα διακροτήµατα να έχουν περίοδο 0, 25s . Παρατηρούµε ότι αν αυξηθεί η συχνότητα f2 του δεύτερου διαπασών κατά 2Hz τότε ο χρόνος µεταξύ δύο διαδοχικών µηδενισµών της έντασης του ήχου αυξάνεται. Η συχνότητα f2 του δεύτερου διαπασών είναι : α. 4Hz ϐ. 1004Hz 180


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου γ. 996Hz Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Γ.Ασκήσεις Γ.1. ο πλάτος µιας ϕθίνουσας αρµονικής ταλάντωσης µειώνεται εκθετικά µε το χρόνο σύµφωνα µε τη σχέση A = A0 e−Λt . Το πλάτος της ταλάντωσης τη χρονική στιγµή t = 0είναι A0 = 8cm και τη χρονική στιγµή t = 20s είναι A1 = 2cm . α. Ποια είναι η τιµή της σταθεράς Λ της ταλάντωσης ; ϐ. Πόσος χρόνος χρειάζεται ώστε το πλάτος της ταλάντωσης να µείνει το µισό του αρχικού ; γ. Ποιο είναι το πλάτος της ταλάντωσης τη χρονική στιγµή t = 30s; δίνεται : ln2 = 0, 7

Γ.2. Το πλάτος µιας ϕθίνουσας αρµονικής ταλάντωσης µειώνεται εκθετικά µε το χρόνο σύµφωνα µε τη σχέση A = A0 e−Λt . Η σταθερά Λ της ταλάντωσης ισούται µεΛ = 0, 014s−1 . α. Να ϐρείτε µετά από πόσο χρονικό διάστηµα το σύστηµα ϑα έχει χάσει τα 3/4 της αρχικής του ενέργειας. ϐ. Να υπολογιστεί ο αριθµός των ταλαντώσεων Ν που πραγµατοποιεί το σύστηµα µέχρι να υποτετραπλασιαστεί η αρχική του ενέργεια. γ. Αν τη χρονική στιγµή t = 0 η ενέργεια της ταλάντωσης είναι E0 και µετά από χρόνο ∆t = t1 η % ελάττωση της ενέργειας ταλάντωσης είναι 36% να ϐρείτε την % ελάττωση του πλάτους της ταλάντωσης. ∆ίνεται ότι η περίοδος των ταλαντώσεων είναι T = 0, 5s και ln2 = 0, 7 .

Γ.3. Το πλάτος µιας ϕθίνουσας αρµονικής ταλάντωσης µειώνεται εκθετικά µε το χρόνο σύµφωνα µε τη σχέση A = A0 e−(ln4)t . Σε χρονικό διάστηµα 10 Τ, όπου Τ η περίοδος της ϕθίνουσας ταλάντωσης, το πλάτος ελαττώνεται στο µισό της αρχικής του τιµής. Να υπολογίσετε : α. την περίοδο Τ της ϕθίνουσας ταλάντωσης. 181


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ϐ. τον αριθµό των ταλαντώσεων Ν που πρέπει να πραγµατοποιηθούν ώστε το πλάτος να µειωθεί από

A0 A0 σε . 4 16

γ. Το κλάσµα της αρχικής ενέργειας που έχασε ο ταλαντωτής στο χρονικό διάστηµα που πέρασε για να ελαττωθεί το πλάτος της ταλάντωσης από

A0 A0 σε . 4 16

Γ.4. Σώµα µάζας m = 2kg ισορροπεί δεµένο στο κάτω άκρο κατακόρυφου ελατηρίου σταθεράς k = 200N/m , το πάνω άκρο του οποίου είναι στερεωµένο σε ακλόνητο σηµείο. Το σώµα εκτελεί ϕθίνουσα ταλάντωση και η δύναµη απόσβεσης που επενεργεί πάνω του είναι της µορφής F 0 = −0.5υ(S.I.). Εφαρµόζουµε στο σύστηµα περιοδική δύναµη διέγερσης µε συχνότητα π5 Hz , οπότε αποκαθίσταται ταλάντωση σταθερού πλάτους που είναι ίσο µε 0, 2m . Αν η αρχική ϕάση της ταλάντωσης σταθερού πλάτους είναι φ0 = 0 , τότε : α. Να γράψετε τις εξισώσεις της αποµάκρυνσης και της ταχύτητας της εξαναγκασµένης ταλάντωσης. ϐ. Να υπολογίσετε το µέγιστο ϱυθµό απορρόφησης ενέργειας του ταλαντωτή από τον διεγέρτη, κατά τη διάρκεια µιας περιόδου. γ. Αν αυξήσουµε τη συχνότητα του διεγέρτη το πλάτος της ταλάντωσης ϑα αυξηθεί ή ϑα ελαττωθεί· Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας.

Γ.5. ΄Ενα σώµα µάζας 250g εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, γύρω από το ίδιο σηµείο, µε εξισώσεις x1 = 0, 08ηµ4πt και x2 =

√ π 0, 08 3ηµ(4πt + (όλα τα µεγέθη στο S.I.). 2

α. Να υπολογισθεί το πλάτος Α της συνισταµένης ταλάντωσης που εκτελεί το σώµα. ϐ. Να γραφεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης της ταλάντωσης που εκτελεί το σώµα. γ. Να ϐρεθεί η δύναµη επαναφοράς τη στιγµή που το σώµα περνά από τη ϑέση x = 0, 1m. δ. Να υπολογισθεί ο λόγος της κινητικής προς τη δυναµική ενέργεια της ταλάντωσης του υλικού σηµείου τη στιγµή που περνά από τη ϑέση x = 0, 08m. ∆ίνεται : π 2 = 10. 182


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Γ.6. Υλικό σηµείο Σ εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, οι οποίες γίνονται στην ίδια διεύθυνση και γύρω από την ίδια ϑέση ισορροπίας. Οι ταλαντώσεις περιγράφονται από τις εξισώσεις x1 = 2ηµ10t και

√ π x2 = 2 3ηµ(10t + , ( και x σε cm, t σε s ). 3

α. Να υπολογισθεί το πλάτος της συνισταµένης απλής αρµονικής ταλάντωσης που εκτελεί το Σ. ϐ. Να ϐρεθεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης της ταλάντωσης που εκτελεί το Σ. γ. Να γραφεί η εξίσωση της ταχύτητας ταλάντωσης του Σ. δ. Να υπολογισθεί η αλγεβρική τιµή της ταχύτητας τη χρονική στιγµή t = µετά από τη στιγµή t = 0 .

π s 15

Γ.7. ΄Ενα σώµα µάζας m = 0, 1kg εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, γύρω από το ίδιο σηµείο και οι αποµακρύνσεις τους δίνονται από το παρακάτω διάγραµµα.

α. Να γραφεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης των δύο ταλαντώσεων. ϐ. Να γραφεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης της συνισταµένης ταλάντωσης και να παρασταθεί γραφικά στο ίδιο διάγραµµα µε τις δύο επιµέρους ταλαντώσεις. γ. Να υπολογισθεί η ενέργεια της συνισταµένης ταλάντωσης. 183


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου δ. Να ϐρεθεί η αποµάκρυνση της σύνθετης ταλάντωσης, τη χρονική στιγµή που η κινητική ενέργεια γίνει τριπλάσια της δυναµικής, για πρώτη ϕορά. ∆ίνεται : π 2 = 10.

Γ.8. ΄Ενα διαπασών παράγει ήχο συχνότητας f1 = 1001Hz . Αν ϕέρουµε πολύ κοντά ένα δεύτερο διαπασών, περίπου ίδιο µε το πρώτο, παράγεται και ένας δεύτερος ήχος συχνότητας f2 που είναι λίγο µικρότερη από την πρώτη. Ο σύνθετος ήχος που ακούει τότε ένας παρατηρητής έχει συχνότητα f = 1000Hz . Να υπολογισθεί : α. η συχνότητα f2 . ϐ. η συχνότητα µεταβολής του πλάτους της σύνθετης κίνησης. γ. πόσες ϕορές µηδενίζεται η ένταση του ήχου που ακούει ο παρατηρητής σε χρόνο ∆t = 2s. δ. ΄Ενα µόριο του αέρα ταλαντώνεται εξαιτίας του ήχου που παράγουν τα διαπασών. Να υπολογισθεί πόσες ϕορές περνά από τη ϑέση ισορροπίας του σε χρόνο ίσο µε τη περίοδο των διακροτηµάτων.

Γ.9. ΄Ενα σώµα µάζας m = 0, 2kg εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, γύρω από το ίδιο σηµείο. Στο παρακάτω διάγραµµα, ϕαίνεται η γραφική παράσταση της αποµάκρυνσης της πρώτης ταλάντωσης x1 (t) και της συνισταµένης ταλάντωσης x(t) . α. Να υπολογισθεί η σταθερά της συνισταµένης ταλάντωσης. ϐ. Να γραφεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης της πρώτης και της συνισταµένης ταλάντωσης. γ. Να γραφεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης της δεύτερης ταλάντωσης και να παρασταθεί γραφικά στο ίδιο διάγραµµα. δ. Να ϐρεθεί η κινητική ενέργεια του σώµατος τη χρονική στιγµή . 184


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Γ.10. Σώµα µάζας m = 0, 5kg εκτελεί ταυτοχρόνως δύο Α.Α.Τ. της ίδιας συχνότητας που γίνονται γύρω από το ίδιο σηµείο και στην ίδια διεύθυνση. Οι δύο Α.Α.Τ. περιγράφονται από τις εξισώσεις : x1 = 0, 5ηµ20πt(S.I.) και x2 = 0, 7ηµ(20πt + π)(S.I.) α. Να ϐρεθεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης και της ταχύτητας σε σχέση µε το χρόνο για τη σύνθετη ταλάντωση. ϐ. Να υπολογιστεί η περίοδος της σύνθετης ταλάντωσης. γ. Να υπολογιστεί το πλάτος της δύναµης επαναφοράς για τη σύνθετη ταλάντωση. δ. Να υπολογιστεί η ταχύτητα του σώµατος όταν η αποµάκρυνσή του είναι x = 0, 1m . ∆ίνεται π 2 = 10.

Γ.11. Σώµα εκτελεί ταυτόχρονα δύο Α.Α.Τ. της ίδιας διεύθυνσης, που γίνονται γύρω από το ίδιο σηµείο, µε το ίδιο πλάτος και συχνότητες που διαφέρουν πολύ λίγο. Οι επιµέρους ταλαντώσεις περιγράφονται από τις εξισώσεις x1 = 0, 2ηµ100πt(S.I.) και x2 =

0, 7ηµ(102πt)(S.I.) α. Να γραφεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης σε σχέση µε το χρόνο για τη σύνθετη ταλάντωση. ϐ. Να υπολογιστεί η χρονική στιγµή που µηδενίζεται το πλάτος για πρώτη ϕορά. γ. Να υπολογιστεί ο χρόνος ανάµεσα σε δύο διαδοχικούς µηδενισµούς του πλάτους. 185


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆. Προβλήµατα ∆.1. ΄Ενα σώµα µάζας 200 g εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, ίδιας συχνότητας, ίδιου πλάτους Α και γύρω από το ίδιο σηµείο. Η πρώτη ταλάντωση έχει αρχική ϕάση µηδέν και υστεϱεί ϕασικά από τη δεύτερη κατά φ, µε φ < πrad . Η συνισταµένη κίνηση που προκύπτει έχει το ίδιο πλάτος Α µε κάθε µια από τις επιµέρους ταλαντώσεις. Η κάθε µια ταλάντωση έχει ενέργεια 0,1 J , ενώ η δύναµη επαναφοράς έχει µέγιστη τιµή 2 N . α. Να υπολογισθεί η διαφορά ϕάσης της δεύτερης ταλάντωσης µε την πρώτη και της σύνθετης ταλάντωσης µε την πρώτη. ϐ. Να γραφούν οι εξισώσεις της αποµάκρυνσης των δύο αρχικών ταλαντώσεων. γ. Να γραφεί η εξίσωση της επιτάχυνσης { χρόνου για την συνισταµένη ταλάντωση. δ. Να υπολογισθεί το µέτρο της ταχύτητας ταλάντωσης του σώµατος τη στιγµή που η δυναµική ενέργεια του σώµατος είναι τριπλάσια της κινητικής.

∆.2. ΄Ενα σώµα µάζας 100g εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, ίδιας συχνότητας και γύρω από το ίδιο σηµείο. Η δεύτερη ταλάντωση έχει τριπλάσιο πλάτος από την πρώτη και η ϕάση της προηγείται κατά γωνία φ = 60o . Η πρώτη ταλάντωση έχει αρχική ϕάση µηδέν. Η συνισταµένη ταλάντωση έχει εξίσωση √ x = 0, 2 13ηµ(2πt + θ): (S.I.). α. Να υπολογισθεί η αρχική ϕάση της συνισταµένης ταλάντωσης. ϐ. Να γραφούν οι εξισώσεις της αποµάκρυνσης των δύο αρχικών ταλαντώσεων. γ. Να γραφεί η εξίσωση της ταχύτητας - χρόνου της συνισταµένης ταλάντωσης. δ. Να υπολογισθεί ο ϱυθµός µεταβολής της ορµής του σώµατος όταν περνά από τη ϑέση .

Να ϑεωρήσετε ότι : π 2 ' 10 και 0, 6 3 ' 1 . 186


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

∆.3. ΄Ενα σώµα εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, γύρω από το ίδιο σηµείο που περιγράφονται από τις εξισώσεις x1 = Aηµ199πt και x2 = Aηµ201πt(S.I.). Η εξίσωση που περιγράφει την συνισταµένη ταλάντωση είναι x = 0, 04συν2πf3 tηµ2πf4 t (S.I.). α. Να υπολογισθεί το πλάτος Α και οι συχνότητες f1 και f2 των δύο επιµέρους Α.Α.Τ. ϐ. Τι εκφράζει το ηµιάθροισµα των συχνοτήτων των επιµέρους Α.Α.Τ. και ποια είναι η τιµή του ; γ. Να υπολογισθεί η περίοδος των διακροτηµάτων T∆ και ο αριθµός των ταλαντώσεων που εκτελεί το σώµα στο χρόνο αυτό. δ. Να σχεδιάσετε ποιοτικά τη γραφική παράσταση της αποµάκρυνσης της σύνθετης ταλάντωσης µε το χρόνο.

∆.4. Οι ήχοι που παράγονται από δύο ακίνητα διαπασών, έχουν την ίδια ένταση, ϐρίσκονται πολύ κοντά το ένα µε το άλλο και έχουν συχνότητες f1 = 499Hz και f2 = 501Hz , αντίστοιχα. Οι ήχοι αναγκάζουν το τύµπανο ενός αυτιού να ταλαντώνεται. Οι επιµέρους ταλαντώσεις που ενεργοποιούν το τύµπανο έχουν µηδενική αρχική ϕάση και ίδιο πλάτος Α . α. Να υπολογισθεί η συχνότητα : α1. των διακροτηµάτων. α2. µεταβολής του πλάτους της σύνθετης κίνησης. α3. της σύνθετης κίνησης. ϐ. Να υπολογισθεί ο αριθµός των µεγιστοποιήσεων του πλάτους των διακροτηµάτων σε χρόνο 20 s. γ. Να υπολογισθεί ο αριθµός των ταλαντώσεων που εκτελεί το τύµπανο σε χρόνο 1 s. δ. Να υπολογισθεί, σαν συνάρτηση του χρόνου, η διαφορά ϕάσης των δύο επιµέρους ταλαντώσεων που ενεργοποιούν το τύµπανο και να παρασταθεί γραφικά. Στο διάγραµµα να ϕαίνονται οι χρονικές στιγµές

T∆ και T∆ (όπου T∆ η περίο2

δος των διακροτηµάτων). Να εξηγήσετε µε τη ϐοήθεια της διαφοράς ϕάσης, γιατί στις στιγµές αυτές το πλάτος είναι µηδέν και µέγιστο αντίστοιχα. 187


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆.5. ΄Ενα σώµα εκτελεί κίνηση που προέρχεται από τη σύνθεση δύο απλών αρµονικών ταλαντώσεων, ίδιας διεύθυνσης, ίδιου πλάτους , που πραγµατοποιούνται γύρω από το ίδιο σηµείο µε παραπλήσιες συχνότητες f1 και f2 (f1 < f2 ) . Οι δύο ταλαντώσεις έχουν αρχική ϕάση µηδέν. Η αποµάκρυνση σε συνάρτηση µε το χρόνο της σύνθετης κίνησης που παρουσιάζει διακροτήµατα είναι x = 0.02συν(2πt)ηµ(50πt) (S.I.) α. Να υπολογισθούν οι συχνότητες f1 και f2 και το πλάτος Α των δύο ταλαντώσεων. ϐ. Να γραφούν οι εξισώσεις αποµάκρυνσης { χρόνου των δύο επιµέρους ταλαντώσεων. γ. Να υπολογιστεί πότε µηδενίζεται το πλάτος του διακροτήµατος στο χρονικό διάστηµα από 0 έως 1s . δ. Να υπολογισθεί πόσες ϕορές µηδενίζεται η αποµάκρυνση της σύνθετης κίνησης σε χρόνο ίσο µε την περίοδο των διακροτηµάτων. ε. Να γίνει το διάγραµµα της συνισταµένης ταλάντωσης για χρονικό διάστηµα από 0 έως 1 s .

∆.6. Σώµα µάζας m = 1, 2kg εκτελεί σύνθετη γραµµική αρµονική ταλάντωση χωρίς τριβές. Οι ταλαν√ εξισώσεις των συνιστωσών √ π τώσεων στο S.I. είναι x1 = 3ηµ(ωt) και x2 = 3ηµ(ωt + 3 ) α. Υπολογίστε το πλάτος Α και την αρχική ϕάση θ της ταλάντωσης του σώµατος. ϐ. Γράψτε την εξίσωση της αποµάκρυνσης του σώµατος σε συνάρτηση µε τον χρόνο, αν γνωρίζεται ότι το σώµα περνάει για πρώτη ϕορά από την ϑέση ισορροπίας του την χρονική στιγµή t = 2, 5s. γ. Υπολογίστε την κινητική ενέργεια του σώµατος τη χρονική στιγµή t = 5, 5s. δ. Θεωρήστε ότι κάποια χρονική στιγµή t1 > 5, 5s που το σώµα ϐρίσκεται σε ακραία ϑετική ϑέση, αρχίζει να δρα πάνω του µια δύναµη απόσβεσης της µορφής F 0 = −bυ , όπου b > 0, οπότε µετά από χρόνο 12s το πλάτος υποδιπλασιάζεται. Μετά από πόσο χρόνο από την χρονική στιγµή t1 , το πλάτος της ταλάντωσης του σώµατος ϑα έχει γίνει A/16.; ∆ίνεται : π 2 = 10 188


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

∆.7. ΄Ενα σώµα m = 2kg µετέχει ταυτόχρονα σε δύο απλές αρµονικές ταλαντώσεις που γίνονται στην ίδια διεύθυνση και γύρω από την ίδια ϑέση ισορροπίας. Η εξίσωση της ταχύτητας του σώµατος σε συνάρτηση µε τον χρόνο για κάθε µια από τις επιµέρους ταλαντώσεις στο S.I. είναι : υ1 = 8πσυν(ωt + π) και υ2 = υ2max συν(ωt). Η εξίσωση της σύνθετης ταλάντωσης προκύπτει από την σχέση : x = 4ηµ(100πt), (x σε cm, t σε s) . α. Να σχεδιαστεί η γραφική παράσταση της δυναµικής ενέργειας σε συνάρτηση µε τον χρόνο για την σύνθετη κίνηση. ϐ. Να γραφτεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης για κάθε µια από τις συνιστώσες ταλαντώσεις. γ. Ποια ϑα έπρεπε να είναι η µέγιστη επιτάχυνση του σώµατος εξαιτίας της δεύτερης ταλάντωσης ώστε το σώµα να παρέµενε συνεχώς στην ϑέση ισορροπίας. δ. Αν η παραπάνω σύνθετη ταλάντωση γίνεται µέσα σε ένα υλικό που ασκεί στο σώµα δύναµη της µορφής F 0 = −bυ , όπου b η σταθερά απόσβεσης, οπότε το πλάτος µειώνεται εκθετικά µε τον χρόνο σύµφωνα µε την σχέση A = A0 e−Λt , να ϐρείτε το ποσοστό της ενέργειας που χάθηκε µετά από χρόνο t = 2T , όπου Τ η περίοδος της ταλάντωσης. ∆ίνεται η σταθερά Λ του υλικού Λ =

ln2 T

και ότι π 2 = 10

189


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Εξίσωση - Φάση Αρµονικού Κύµατος 4ο Σετ Ασκήσεων - Χειµώνας 2012 Α. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α.1. Κατά τη διάδοση ενός κύµατος σε ένα ελαστικό µέσο : α. µεταφέρεται ύλη ϐ. µεταφέρεται µόνο ενέργεια γ. όλα τα σηµεία του ελαστικού µέσου έχουν, την ίδια χρονική στιγµή, την ίδια ϕάση. δ. µεταφέρονται ενέργεια και ορµή µε ορισµένη ταχύτητα.

Α.2.΄Οταν ένα κύµα αλλάζει µέσο διάδοσης, τότε µεταβάλλεται : α. η ταχύτητα και το µήκος κύµατος του ϐ. η συχνότητα και το µήκος κύµατος του γ. µόνο η ταχύτητα του δ. µόνο το µήκος κύµατος του.

Α.3. Κατά µήκος γραµµικού οµογενούς ελαστικού µέσου διαδίδεται εγκάρσιο αρµονικό κύµα χωρίς απώλειες ενέργειας : α. Τα µόρια του ελαστικού µέσου ταλαντώνονται παράλληλα στη διεύθυνση διάδοσης τ��υ κύµατος ϐ. Κατά µήκος του ελαστικού µέσου σχηµατίζονται πυκνώµατα και αραιώµατα. γ. Τα µόρια του ελαστικού µέσου ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύµατος. δ. Η ταχύτητα διάδοσης του κύµατος είναι υ = ωΑ.

Α.4. Αν η συχνότητα των ταλαντώσεων της πηγής παραγωγής ενός αρµονικού κύµατος που διαδίδεται σε ένα ελαστικό µέσο διπλασιαστεί, τότε ϑα : α. διπλασιαστεί το πλάτος του 190


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐ. διπλασιαστεί η περίοδος του γ. υποδιπλασιαστεί η ταχύτητα του δ. υποδιπλασιαστεί το µήκος κύµατος του.

Α.5. Κατά τη διάδοση ενός αρµονικού κύµατος πάνω σε ένα γραµµικό οµογενές ελαστικό µέσο : α. Η αποµάκρυνση των διαφόρων σηµείων του µέσου είναι γραµµική συνάρτηση του χρόνου. ϐ. ΄Ολα τα σηµεία του µέσου έχουν κάθε χρονική στιγµή την ίδια ϕάση. γ. Η διαφορά ϕάσης των ταλαντώσεων δύο ορισµένων σηµείων του µέσου, την ίδια χρονική στιγµή, είναι σταθερή. δ. Οι ϑέσεις των σηµείων του µέσου σε µια ορισµένη χρονική στιγµή αποτελούν το στιγµιότυπο του κύµατος.

Α.6. ΄Ενα αρµονικό κύµα διαδίδεται κατά µήκος ενός γραµµικού ελαστικού µέσου, το οποίο εκτείνεται κατά τη διεύθυνση του άξονα x0 x. Το στιγµιότυπο του κύµατος παριστάνει : α. την αποµάκρυνση y των διαφόρων σηµείων του µέσου, ως συνάρτηση της απόστασης τους x από την πηγή, µια ορισµένη χρονική στιγµή. ϐ. την αποµάκρυνση y ενός σηµείου του ελαστικού µέσου, ως συνάρτηση του χρόνου t. γ. την ταχύτητα της ταλάντωσης των διαφόρων σηµείων του µέσου, ως συνάρτηση της απόστασης τους x από την πηγή, µια ορισµένη χρονική στιγµή. δ. την ταχύτητα της ταλάντωσης ενός σηµείου του ελαστικού µέσου, ως συνάρτηση του χρόνου t.

Α.7. Σ΄ ένα γραµµικό οµογενές ελαστικό µέσο διαδίδεται αρµονικό κύµα µε µήκος κύµατος λ. Η διαφορά ϕάσης των ταλαντώσεων δύο σηµείων του µέσου που απέχουν µεταξύ τους απόσταση

λ 2

είναι : α.

π 2

ϐ.

π 4

γ. π

δ. 2π 191


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.8. ΄Ενα αρµονικό κύµα περιγράφεται από την εξίσωση

y = 0, 1ηµ2π(2t − 0, 1x)(S.I) Η διαφορά ϕάσης της ταλάντωσης ενός σηµείου του ελαστικού µέσου σε δύο χρονικές στιγµές που διαφέρουν κατά ∆t = 1/6s, είναι ίση µε : α.

3π 2

ϐ.

2π 3

γ.

π 2

δ. π

Α.9. Στο διάγραµµα του σχήµατος ϕαίνεται το στιγµιότυπο του κύµατος τη χρονική στιγµή t. Η διαφορά ϕάσης των ταλαντώσεων των σηµείων Κ και Λ του µέσου είναι : t = σταθ. y

K

Λ x

α. ∆φ =

3π 2

ϐ. ∆φ = 0 γ. ∆φ = 3π δ. εξαρτώµενη από την ταχύτητα διάδοσης του κύµατος.

Α.10. Η εξίσωση γραµµικού αρµονικού κύµατος είναι y = 0, 1ηµ2π(2t− 0, 1x)(S.I.). α. Η ταχύτητα διάδοσης του κύµατος είναι 20 m/s. ϐ. Η απόσταση δύο σηµείων, τα οποία κάποια χρονική στιγµή έχουν διαφορά ϕάσης

3π , είναι d = 15m. 2

γ. Η διαφορά ϕάσης ενός σηµείου µεταξύ των χρονικών στιγµών t1 = 20s και t2 = 25s είναι 5πrad. δ. Το πλησιέστερο προς την πηγή του κύµατος σηµείο, που ταλαντώνεται σε αντίθεση ϕάσης µ΄ αυτήν, απέχει από την πηγή 5m. 192


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Α.11. Η εξίσωση ενός αρµονικού κύµατος, που διαδίδεται κατά µήκος γραµµικού οµογενούς ελαστικού µέσου στη διεύθυνση του ηµιάξονα Ox είναι

y = 10ηµ2π(10t − 20x) (x σε cm, y σε cm και t σε s). α. Η περίοδος του κύµατος είναι 0, 5s. ϐ. Το µήκος κύµατος του κύµατος είναι λ = 20m. γ. Η ταχύτητα διάδοσης του κύµατος είναι υ = 0, 5m/s. δ. ΄Ενα σηµείο που απέχει από την πηγή 5cm καθυστερεί ϕασικά κατά

π vrad. 4

Α.12. Κατά µήκος του άξονα x0 x, και κατά την αρνητική του κατεύθυνση διαδίδεται εγκάρσιο αρµονικό κύµα. Η αρχή Ο του άξονα αρχίζει την t = 0 να εκτελεί αµείωτη ταλάντωση µε εξίσωση y = Aηµωt .Οι ϕάσεις της ταλάντωσης δύο σηµείων Μ και Ν του µέσου, την ίδια χρονική στιγµή, είναι φM =

9π 3π και φN = 2 2

αντίστοιχα. α. Η εξίσωση που περιγράφει το κύµα είναι y = Aηµ2π( Tt + λx ) ϐ. Το κύµα διαδίδεται µε κατεύθυνση από το σηµείο Μ προς το σηµείο Ν. γ. Η απόσταση ανάµεσα στα σηµεία Μ και Ν είναι περιττό πολλαπλάσιο του λ/2. δ. Η γραφική παράσταση της εξίσωσης y = f (t) για x = σταθ. εκφράζει την περιοδικότητα που παρουσιάζει η κίνηση ενός σηµείου του µέσου.

Α.13. Στο διάγραµµα του οχήµατος δίνεται η γραφική παράσταση φ = f (x) κατά τη χρονική στιγµή t = 2s, για ένα αρµονικό κύµα που παράγεται στη ϑέση x = 0 τη χρονική στιγµή t = 0. Το µήκος κύµατος του κύµατος είναι : α. 1m ϐ. 2m γ. 5m δ. 10m 193


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου 1 0 π

f (ra d )

0

5

1 0

x (m )

Α.14. Μια πηγή Ο που ϐρίσκεται στη ϑέση x = 0 του άξονα x0 x, αρχίζει, την t = 0, να εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε εξίσωση y = 0, 04ηµ4πt(S.I.). Το παραγόµενο κύµα διαδίδεται κατά τη ϑετική κατεύθυνση του άξονα µε ταχύτητα υ = 50m/s, x α. Η εξίσωση του αρµονικού κύµατος είναι y = 0, 04ηµ2π(2t– 25 )(S.I.).

ϐ. Το σηµείο Μ, που απέχει από την πηγή του κύµατος απόσταση x = 500m, ϑα αρχίσει να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t1 = 10s. γ. Το σηµείο Μ, την t2 = 20s, ϑα έχει ταχύτητα υM = −16πcm/s. δ. Το σηµείο Μ καθυστερεί ϕασικά της πηγής κατά 30πrad.

Α.15. Το παρακάτω σχήµα παριστάνει το στιγµιότυπο ενός εγκαρσίου αρµονικού κύµατος, το οποίο διαδίδεται προς τα δεξιά την t = 2T . Προς ποια κατεύθυνση κινούνται τα σηµεία Α και Β του ελαστικού µέσου· α. και τα δύο σηµεία κινούνται προς τα πάνω. ϐ. και τα δύο σηµεία κινούνται προς τα κάτω. γ. το σηµείο Α κινείται προς τα πάνω και το σηµείο Β προς τα κάτω. δ. το σηµείο Α κινείται προς τα κάτω και το σηµείο Α προς τα πάνω. 194


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

υ y

A B

x

Α.16. Το διάγραµµα του σχήµατος παριστάνει το στιγµιότυπο ενός αρµονικού κύµατος τη χρονική στιγµή t = 10s. Το σηµείο Ο άρχισε να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t = 0. Η ταχύτητα διάδοσης του κύµατος στο ελαστικό µέσο είναι : α. 0, 2m/s ϐ. 20m/s γ. 0, 6m/s

y (m )

δ. 60m/s

0

2

4

6

x (m )

Β. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής µε αιτιολόγηση Β.2. ∆ύο µηχανικά κύµατα ίδιας συχνότητας διαδίδονται σε ελαστική χορδή. Αν λ1 και λ2 τα µήκη κύµατος αυτών των κυµάτων ισχύει : : α. λ1 < λ2 195


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ϐ. λ1 > λ2 γ. λ1 = λ2 Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.2. Η γραφική παράσταση της ϕάσης σε συνάρτηση µε το χρόνο, για ένα σηµείο (διαφορετικό της πηγής Ο) ενός ελαστικού γραµµικού µέσου στο οποίο διαδίδεται ένα εγκάρσιο γραµµικό αρµονικό κύµα, κατά τη ϑετική ϕορά, είναι µία ευθεία : α. αύξουσα. ϐ. ϕθίνουσα. γ. παράλληλη στον άξονα t. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.3. Η γραφική παράσταση της ϕάσης των διαφόρων σηµείων ενός γραµµικού ελαστικού µέσου στο οποίο διαδίδεται, προς τη ϑετική κατεύθυνση του άξονα x0 x, ένα εγκάρσιο αρµονικό κύµα, σε συνάρτηση µε την απόστασή τους από την πηγή Ο, κάποια συγκεκριµένη χρονική στιγµή, είναι µία ευθεία : α. παράλληλη στον άξονα x. ϐ. ϕθίνουσα. γ. αύξουσα. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.4. Σε γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδεται αρµονικό εγκάρσιο κύµα προς τη ϑετική κατεύθυνση. Αν λ το µήκος κύµατος και Τ η περίοδος αυτού του κύµατος, τότε η διαφορά ϕάσης ∆φ µεταξύ δύο χρονικών στιγµών t1 και t2 µε t2 > t1 , ενός σηµείου του µέσου το οποίο ξεκινά να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t0 < t1 , δίνεται από τη σχέση : t2 − t1 T t2 − t1 ϐ. π T

α. 2π

196


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου γ. 2π

t2 − t1 λ

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.5. Σε γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδεται αρµονικό εγκάρσιο κύµα προς τη ϑετική κατεύθυνση. Αν λ το µήκος κύµατος και Τ η περίοδος αυτού του κύµατος, τότε η διαφορά ϕάσης ∆φ την ίδια χρονική στιγµή µεταξύ δύο σηµείων του µέσου τα οποία έχουν ξεκινήσει να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t0 < t1 και που απέχουν απόσταση ∆x δίνεται από την σχέση : α. 2π

∆x λ

ϐ. π

∆x λ

γ. π

∆x 2T

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.6. Οι διπλανές γραφικές παραστάσεις αναφέρονται στη µεταϐολή της ϕάσης σε συνάρτηση µε το χρόνο δύο σηµείων Α και Β ενός γραµµικού ελαστικού οµογενούς µέσου στο οποίο διαδίδεήρεςε ςημ απάμςηρή ραπ. ται αρµονικό εγκάρσιο κύµα. Αν τα σηµεία Α και Β ϑεωρηθούν υλικά αματέοξμςαι σηµεία ίδιας µάζας, ςηπ γιατάρηπ την κινητική ενέργεια ταλάντωσης μέπ γοατικέπ παοαρςάρειπ ρςη μεςαβξλή ρε ρσμάοςηρη με ςξ την χρονική στιγµή t =μέρξσ 8s , ρςξ ϑα ξπξίξ ισχύει : μείχμ Α και Β εμόπΚ γοαμμικξύ ελαρςικξύ ξμξγεμξύπ διαδίδεςαι

άοριξ κύμα.

Α και Β θεχοηθξύμ σλικά ρημεία

για ςημ κιμηςική εμέογεια

Κ ςημ υοξμική ρςιγμή

,

α. KA < KB

.

ϐ. KA = KB

.

γ. KA > KB Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

. 197

,

. Να δικαιξλξγήρεςε ςημ απάμςηρή ραπ.

άςχ γοατική παοάρςαρη αματέοεςαι ρςη μεςαβξλή ςηπ τάρηπ

αρη

ρε ρσμάοςηρη

από ςημ πηγή γοαμμικξύ αομξμικξύ κύμαςξπ ςη υοξμική ρςιγμή


κέπ παοαρςάρειπ αματέοξμςαι ρςη μεςαβξλή ςηπ τάρηπ ρε ρσμάοςηρη με ςξ

και Β εμόπ γοαμμικξύ ελαρςικξύ ξμξγεμξύπ μέρξσ ρςξ ξπξίξ διαδίδεςαι Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

μα.

εχοηθξύμ σλικά ρημεία αρµονικά εγκάρσια κύµατα (1) και (2) διαδίδονται σε εΒ.7.∆ύο

μηςική εμέογειαλαστική χορδή κατά την ϑετική κατεύθυνση. Αν είναι γνωστό ότι

μική ρςιγμή

το πλάτος και το µήκος του δεύτερου κύµατος είναι διπλάσια του , πρώτου (δηλ A2 = 2A1 , λ2 = 2λ1 ), τότε για τα µέτρα των µέγιστων επιταχύνσεων ταλάντωσης των µορίων της ελαστικής χορδής ϑα ισχύει : αmax1 =2 αmax2 αmax1 ϐ. =4 αmax2

α.

γ.

1 αmax1 = αmax2 2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. . Να δικαιξλξγήρεςε ςημ απάμςηρή ραπ.

,

Β.8.Η παρακάτω γραφική παράσταση αναφέρεται στη µεταβολή τική παοάρςαρη αματέοεςαι ρςη μεςαβξλή ςηπ τάρηπ ρε ρσμάοςηρη της ϕάσης φ σε συνάρτηση µε την απόσταση x από την πηγή γραµµικού αρµονικού κύµατος τη χρονική στιγµή t1 = 14s:

από ςημ πηγή γοαμμικξύ αομξμικξύ κύμαςξπ ςη υοξμική ρςιγμή

μαςξπ είμαι ίρη με:

αςξπ είμαι ίρξ με: 1. Η περίοδος του κύµατος είναι ίση µε : α. 1s ϐ. 2s γ. 4s 2. Το µήκος κύµατος είναι ίσο µε :

α. 10 cm πηγή ςξσ κύμαςξπ βοίρκεςαι ρςη θέρη και ςη υοξμική ϐ. 12 cm ά μα ςαλαμςώμεςαι από ςη θέρη ιρξοοξπίαπ ςηπ με θεςική ςαυύςηςα. γ. 14 cm dpress.com ρίου Σελίδα 4 198


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Να ϑεωρήσετε ότι η πηγή του κύµατος ϐρίσκεται στη ϑέση Ο (x = 0 και τη χρονική στιγµή t = 0 ξεκινά να ταλαντώνεται από τη ϑέση ισορροπίας της µε ϑετική ταχύτητα. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Γ.Ασκήσεις Γ.1. Το σηµείο Ο αρχίζει τη χρονική στιγµή t = 0 να εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση, που περιγράφεται από την εξίσωση y = Aηµωt . Το κύµα που δηµιουργεί, διαδίδεται κατά µήκος οµογενούς γραµµικού ελαστικού µέσου και κατά τη ϑετική ϕορά. Αν είναι γνωστό ότι : ˆ το σηµείο Ο περνάει από τη ϑέση ισορροπίας του 30 ϕορές το λεπτό,

ˆ η ολική ενέργεια ταλάντωσης της πηγής Ο είναι 2 · 10−4 J , ˆ κάθε στοιχειώδες τµήµα του ελαστικού µέσου ϑεωρείται υλικό σηµείο µάζας m = 1g και

ˆ το κύµα ϕτάνει στο σηµείο Σ, που απέχει από το Ο απόσταση

4m , τη χρονική στιγµή t = 2s , να υπολογίσετε : α. την περίοδο του κύµατος. ϐ. το πλάτος του κύµατος. γ. την ταχύτητα διάδοσης και το µήκος κύµατος. δ. Να γράψετε την εξίσωση αυτού του κύµατος. ∆ίνεται ότι : π 2 ' 10

Γ.2. Εγκάρσιο γραµµικό κύµα που διαδίδεται σε ένα οµογενές ελαστικό µέσον και κατά την ϑετική κατεύθυνση έχει εξίσωση y = 4 · 10−2 ηµ(πt − 5πx) , (S.I.). Η πηγή Ο δηµιουργίας αυτού του κύµατος ϐρίσκεται στη ϑέση x = 0 του άξονα x0 Ox . Θεωρούµε ότι ένα σηµείο Σ του ελαστικού µέσου ϐρίσκεται σε απόσταση d = 0, 3m από το Ο. α. Να υπολογισθούν το πλάτος Α , η περίοδος Τ και το µήκος λ του κύµατος. 199


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ϐ. Αν η πηγή του κύµατος αρχίζει να ταλαντώνεται τη στιγµή t = 0: 1. Ποια χρονική στιγµή ϕτάνει το κύµα στο σηµείο Σ ; 2. Να ϐρεθεί η ϕάση και η αποµάκρυνση του Σ τη στιγµή t1 = 2s . γ. Να γραφεί η εξίσωση της αποµάκρυνσης του σηµείου Σ από τη ϑέση ισορροπίας του σε συνάρτηση µε το χρόνο. δ. Να ϐρεθεί η απόσταση κατά τη διεύθυνση διάδοσης του κύµατος ενός ελαχίστου (κοιλάδας) και του µεθεπόµενου µεγίστου (όρους).

Γ.3. Η ϕάση γραµµικού αρµονικού κύµατος που διαδίδεται σε οµογενές ελαστικό µέσο µε πλάτος A = 0, 4m , δίνεται από τη σχέση : φ = 5πt − 5πx 3 (S.I.) . Κάποια χρονική στιγµή t1 η ϕάση ενός σηµείου Κ µε απόσταση από την πηγή xκ = 3, 9m , είναι ίση µε 2, 5πrad . α. Να υπολογίσετε τη χρονική στιγµή t1 . ϐ. Μέχρι που ϑα έχει διαδοθεί το κύµα εκείνη τη στιγµή ; γ. Αν τα στοιχειώδη τµήµατα του ελαστικού µέσου ϑεωρηθούν υλικά σηµεία µάζας m = 2 · 10−3 kg το καθένα, πόση είναι η ολική ενέργεια ταλάντωσης καθενός από αυτά ; δ. Να παρασταθεί το στιγµιότυπο του κύµατος τη χρονική στιγµή t1 και να υπολογίσετε την απευθείας απόσταση µεταξύ του σηµείου Κ και ενός άλλου σηµείου Λ µε xΛ = 3, 6m τότε.

Γ.4. Οι παρακάτω γραφικές παραστάσεις αναφέρονται στην ταλάντωση δύο σηµείων Α και Β ενός οµογενούς γραµµικού ελαστικού µέσου στο οποίο διαδίδεται εγκάρσιο αρµονικό κύµα προς τη ϑετική κατεύθυνση µε ταχύτητα υ = 2m/s . α. Να υπολογίσετε το πλάτος Α του κύµατος. ϐ. Να προσδιορίσετε τις ϑέσεις xA και xB των σηµείων Α και Β. γ. Να ϐρείτε το µέτρο της µέγιστης επιτάχυνσης του σηµείου Α. δ. Ποια είναι η ϕάση του σηµείου Α την χρονική στιγµή t1 = 12s ; ∆ίνεται : π 2 ' 10.Η πηγή του κύµατος ϐρίσκεται στην ϑέση x = 0 και τη χρονική στιγµή t = 0 ξεκινά να ταλαντώνεται από τη ϑέση ισορροπίας της µε ϑετική ταχύτητα. 200


σπξλξγίρεςε ςξ πλάςξπ

ςξσ κύμαςξπ.

Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ποξρδιξοίρεςε ςιπ θέρειπ και ςχμ ρημείχμ Α και Β.

οείςε ςξ μέςοξ ςηπ ηπ επιςάυσμρηπ ςξσ σ Α. είμαι η τάρη ςξσ σ Α ςημ υοξμική ;

: . Η πηγή μαςξπ βοίρκεςαι ρςημ

και ςη χοξμική ρςιγμή νεκιμά μα ςαλαμςώμεςαι από ςη θέρη ιρξοοξπίαπ θεςική ςαχύςηςα. ∆.Προβλήµατα

∆.1. Εγκάρσιο γραµµικό κύµα που διαδίδεται σε ένα ελαστικό οµογενές µέσον κατά την ϑετική κατεύθυνση και έχει εξίσωση :

perifysikhs.wordpress.com ς Ε. Καραδημητρίου

y = 6 · 10−2 ηµ(2πt − 10πx) , (S.I.)

Σελίδα 6

Η πηγή Ο παραγωγής αυτού του κύµατος ϐρίσκεται στη ϑέση x = 0 του ηµιάξονα Ox και τη χρονική στιγµή t = 0 ξεκινά να ταλαντώνεται από τη ϑέση ισορροπίας της µε ϑετική ταχύτητα. α. Να υπολογισθούν το πλάτος A , η περίοδος Τ , το µήκος κύµατος λ και η ταχύτητα διάδοσης υ του κύµατος.

ϐ. Να γραφεί η εξίσωση της ταχύτητας ταλάντωσης και της ϕάσης ενός σηµείου Σ που απέχει xΣ = 0, 4m από το Ο σε συνάρτηση µε το χρόνο και να γίνουν οι γραφικές τους παραστάσεις.

γ. Αν το Σ ϑεωρηθεί υλικό σηµείο µε µάζα m = 10−3 kg να εκφραστεί η κινητική του ενέργεια σε συνάρτηση µε το χρόνο.

δ. Πόσο απέχουν µεταξύ τους δύο σηµεία Μ και Ν που έχουν την ίδια χρονική rad και φN = π2 rad ; στιγµή ϕάσεις φM = 2π 3 ε. Να παρασταθεί το στιγµιότυπο του κύµατος τη χρονική στιγµή t = 2, 75s. 201


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆.2. Μια πηγή Ο αρχίζει να εκτελεί, τη χρονική στιγµή t = 0 , απλή αρµονική ταλάντωση. Το παραγόµενο από την πηγή γραµµικό αρµονικό κύµα, διαδίδεται σε ελαστικό οµογενές µέσο, προς τη ϑετική ϕορά του x0 Ox. Τα σηµεία του µέσου ταλαντώνονται εξαιτίας του κύµατος και έχουν εξίσωση επιτάχυνσης :

t x α = −π 2 · 10−4 ηµ2π( − ) 2 4

(S.I.)

α. Να υπολογίσετε τη γωνιακή συχνότητα του κύµατος. ϐ. Να ϐρείτε την µέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης των µορίων του ελαστικού µέσου και την ταχύτητα διάδοσης αυτού του κύµατος. γ. Πότε ϑα ϐρίσκεται για 1η ϕορά στην ανώτερη ϑέση της ταλάντωσης του ένα σηµείο Κ που ϐρίσκεται σε απόσταση xκ = 10m από την πηγή Ο· δ. Να υπολογίσετε την ταχύτητα ταλάντωσης ενός άλλου σηµείου Λ που ϐρίσκεται σε απόσταση xΛ από την πηγή Ο, κάποια στιγµή που το Κ ϑα ϐρίσκεται στην ανώτερη ϑέση της ταλάντωσης του.

∆.3. Η διπλανή γραφική παράσταση αναφέρεται στη µεταβολή της ϕάσης φ σε συνάρτηση µε το χρόνο ενός σηµείου Μ ελαστικού µέσου στο οποίο διαδίδεται εγκάρσιο αρµονικό κύµα πλάτους A = 10cm προς τη ϑετική κατεύθυνση. Το σηµείο Μ απέχει από την πηγή Ο παραγωγής κυµάτων απόσταση xM = 18cm και µποϱεί να ϑεωρηθεί υλικό σηµείο µάζας m = 2 · 10−3 kg . Η πηγή του κύµατος ϐρίσκεται στη ϑέση x = 0 και ξεκινά να ταλαντώνεται από τη ϑέση ισορροπίας τη χρονική στιγµή t = 0 µε V > 0. α. Να υπολογίσετε την περίοδο και το µήκος του κύµατος. ϐ. Να γραφεί η εξίσωση του κύµατος. γ. Να παρασταθεί γραφικά η εξίσωση της αποµάκρυνσης του σηµείου Μ καθώς και ενός άλλου σηµείου Ν, που ϐρίσκεται δεξιά του Μ και απέχει από αυτό απόσταση d =

λ , από τη ϑέση ισορροπίας τους σε συνάρτηση µε το χρόνο σε 2

κοινό διάγραµµα.

δ. Να υπολογίσετε τη δυναµική ενέργεια ταλάντωσης του σηµείου Μ τη χρονική στιγµή t = 8s . 202


ή γοατική παοάρςαρη αματέοεςαι ρςη μεςαβξλή ςηπ τάρηπ ρε ρσμάοςηρη με π ρημείξσ Μ. ελαρςικξύ H πηγή ςξσμέρξσ ρςξ ξπξίξ διαδίδεςαι εγκάοριξ αομξμικό κύμα

ποξπ ςη θεςική ςαι ρςη θέρη καικαςεύθσμρη. Τξ ρημείξ Μ απέυει από ςημ πηγή Ο Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου μςώμεςαι απόρςαρη από ςη θέρη κσμάςχμ και μπξοεί μα θεχοηθεί σλικό ρημείξ

υοξμική ρςιγμή. H πηγή ςξσ

ρκεςαι ρςη θέρη και λαμςώμεςαι από ςη θέρη εςε ςημ πεοίξδξ και ςξ μήκξπ η υοξμική ρςιγμή ενίρχρη ςξσ κύμαςξπ.

γίρεςε ςημ πεοίξδξ και ςξ μήκξπ θεί γοατικά η ενίρχρη ςηπ ςξσ ρημείξσ Μ καθώπ και η ενίρχρη ςξσ κύμαςξπ.

είξσ Ν, πξσ βοίρκεςαι δενιά ςξσ Μ και απέυει από ασςό απόρςαρη ςαθεί γοατικά η ενίρχρη ςηπ πίαπ ςξσπ ρε ρσμάοςηρη με ςξ υοόμξ ρε κξιμό διάγοαμμα. ηπ ςξσ ρημείξσ Μ καθώπ και

, από

∆.4. Η παρακάτω γραφική παράσταση αναφέρεται στη µεταβολή τηςςαλάμςχρηπ ϕάσης φ ςξσ σε ρημείξσ συνάρτηση µε την απόσταση x από την πηγή εςε ςη δσμαμική εμέογεια Μ ςη υοξμική ρςιγμή ημείξσ Ν, πξσ βοίρκεςαι δενιά ςξσ Μ και απέυει κύµατος, από ασςό απόρςαρη , απόσε οµογενές εγραµµικού αρµονικού που διαδίδεται οξπίαπ ςξσπ ρε ρσμάοςηρη ςξ υοόμξ ρε κξιμό λαστικόμε µέσο κατά τη διάγοαμμα. ϑετική κατεύθυνση , πλάτους A = 2cm χ γοατική παοάρςαρη αματέοεςαι ρςη μεςαβξλή ρε ρσμάοςηρη με κάποια χρονική στιγµή ςηπ t1 . τάρηπ Η ταχύτητα διάδοσης του κύµατος γίρεςε ςη δσμαμική εμέογεια ςαλάμςχρηπ ςξσ ρημείξσ Μ ςη υοξμική ρςιγμή από ςημ πηγή γοαμμικξύ αομξμικξύ πξσ διαδίδεςαι ρε ξμξγεμέπ είναι υ = 0, 5cm/sκύμαςξπ, .

καςά ςη θεςική καςεύθσμρη

, πλάςξσπ

κάπξια υοξμική

άςχ γοατική παοάρςαρη αματέοεςαι ρςη μεςαβξλή ςηπ τάρηπ

ρε ρσμάοςηρη με

η από ςημ πηγή γοαμμικξύ αομξμικξύ κύμαςξπ, πξσ διαδίδεςαι ρε ξμξγεμέπ δξρηπ ςξσ κύμαςξπ ξ καςά ςη θεςική καςεύθσμρη , πλάςξσπ κάπξια υοξμική .

εςε ςημ πεοίξδξ και ςξ μήκξπ ςξσ ιάδξρηπ ςξσ κύμαςξπ . ενίρχρη ςξσ κύμαςξπ.

γίρεςε ςημ πεοίξδξ και ςξ μήκξπ ςξσ

ιρςεί η υοξμική ρςιγμή

.

α. Να υπολογίσετε την περίοδο και το µήκος του κύµατος.

η ενίρχρη ςξσ κύμαςξπ. οατική παοάρςαρη 1)ϐ.ςηπ ςχμ διατόοχμ ρημείχμ ςξσ Ναςαυύςηςαπ γραφεί η ςαλάμςχρηπ εξίσωση του κύµατος.

σ ρε ρσμάοςηρη με ςη ςξσπ ςη υοξμική ρςιγμή γ.θέρη Να προσδιοριστεί η χρονική στιγµή και t1 . 2) ςηπ τάρηπ ρε ξοιρςεί η υοξμική ρςιγμή . s.wordpress.com δ. Να γίνει η γραφική παράσταση 1) της ταχύτητας ταλάντωσης των διαφόρων σηδημητρίου Σελίδα 8 του ελαστικού µέσου σε συνάρτηση τη ϑέσηςξσ τους x τη χρονική στιγµή γοατική παοάρςαρη 1)µείων ςηπ ςαυύςηςαπ ςαλάμςχρηπ ςχμ διατόοχμµερημείχμ t1 και 2) της ϕάσης σε συνάρτηση µε το χρόνο για το σηµείο Μ µε xM = 5cm ρξσ ρε ρσμάοςηρη με ςη θέρη ςξσπ ςη υοξμική ρςιγμή και 2) ςηπ τάρηπ ρε

ikhs.wordpress.com ραδημητρίου

Σελίδα 8

203


Σημείχρη: Η πηγή ςξσ κύμαςξπ βοίρκεςαι ρςη θέρη και ςη υοξμική ρςιγμή νεκιμά μα ςαλαμςώμεςαι από ςη θέρη ιρξοοξπίαπ ςηπ με θεςική ςαυύςηςα.

,

Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Δ.5 Γοαμμικό αομξμικό εγκάοριξ κύμα μεστη πλάςξπ καιστιγµή πεοίξδξ Σηµείωση : Η πηγή του κύµατος ϐρίσκεται ϑέση x = 0 και τη χρονική t = 0 , ξεκινά να ταλαντώνεται από τη ϑέση ισορροπίας της µε ϑετική ταχύτητα. διαδίδεςαι ρε ξμξγεμέπ ελαρςικό μέρξ με ςαυύςηςα

,

. Η πηγή παοαγχγήπ ασςξύ

ςξσ κύμαςξπ βοίρκεςαι ρςηεγκάρσιο θέρη , αουήµε ςξσπλάτος ημιάνξμα A = 4και ςη−3 υοξμική ∆.5.Γραµµικό αρµονικό κύµα · 10 m ρςιγμή νεκιμά μα ςαλαμςώμεςαι από ςη θέρη ιρξοοξπίαπ ςηπ με ρςαθεοή και περίοδο T = 2s , διαδίδεται σε οµογενές ελαστικό µέσο µε ςαυύςηςα. Κάθε ταχύτητα υ ελαρςικξύ = 2cm/sμέρξσ . Ημπξοεί πηγήμαπαραγωγής του κύµατος μόοιξ ςξσ θεχοηθεί σλικόαυτού ρημείξ μάζαπ . ϐρίσκεται στη ϑέση x = 0 ,αρχή του ηµιάξονα Ox και τη χρονική α) Να γοάφεςε ςημ ενίρχρη ασςξύ ςξσ κύμαςξπ. στιγµή t= 0 ξεκινά να ταλαντώνεται από τη ϑέση ισορροπίας της µε σταθερή ταχύτητα. Κάθε µόριο του ελαστικού µέσου µπορεί να ϑεωρηθεί υλικόςη σηµείο µάζας m Σ=πξσ 1grβοίρκεςαι . β) Να σπξλξγίρεςε τάρη ςξσ ρημείξσ ρςη θέρη ςημ α. ρςιγμή Να γράψετε την εξίσωση αυτού του κύµατος. . ϐ. Να υπολογίσετε τη ϕάση του σηµείου Σ που ϐρίσκεται στη ϑέση xΣ = 3cm την στιγµή t1 = 4, 5s .ςξ ρςιγμιόςσπξ ςξσ κύμαςξπ ςημ υοξμική ρςιγμή γ) Να ρυεδιάρεςε καθώπ και ςη υοξμική γ. Να σχεδιάσετε το στιγµιότυπο του κύµατος την χρονική στιγµή t1 καθώς και τη

ρςιγμή χρονική στιγµή t2 = t1. +

T . 4

δ. δ) ΝαΝα σχεδιάσετε τη γραφική παράσταση της ςηπ κινητικής ενέργειας των διαφόρων ση- ρημείχμ ςξσ ρυεδιάρεςε ςη γοατική παοάρςαρη κιμηςικήπ εμέογειαπ ςχμ διατόοχμ µείων του ελαστικού µέσου τη χρονική στιγµή t1 σε συνάρτηση µε την απόστασή ελαρςικξύ ςη υοξμική ρςιγμή στιγµή ρε ρσμάοςηρη με ςημ απόρςαρή ςξσπ από ςξ ρημείξ O τους x απόμέρξσ το σηµείο Ο τη χρονική t1 .

ςη υοξμική ρςιγμή

.

∆.6. Στο παρακάτω διάγραµµα ϕαίνεται η γραφική παράσταση της δυναµικής ενέργειας ταλάντωσης ενός µορίου Κ ενός οµογενούςΔ.6 ελαστικού µέσου στο οποίο γραµµικό Σςξ παοακάςχ διάγοαμμα ταίμεςαιδιαδίδεται η γοατική παοάρςαρη ςηπ αρµονικό δσμαμικήπ εμέογειαπ ςαλάμςχρηπ εμόπ K εμόπ ξμξγεμξύπ ρςξ ξπξίξδιάδοδιαδίδεςαι γοαμμικό εγκάρσιο κύµα σεμξοίξσ συνάρτηση µε το ελαρςικξύ χρόνο. μέρξσ Η ταχύτητα εγκάοριξ κύμαυρε=ρσμάοςηρη με έχει ςξ υοόμξ. Η ςαυύςηςα διάδξρηπ ςξσ κύμαςξπ σης αομξμικό του κύµατος είναι 2m/s και µηδενική αρχική ϕάση. Κάθε µικρό τµήµα του σχοινιού µπορεί να ϑεωρηθεί είμαι και έυει μηδεμική αουική τάρη. Κάθε μικοόυλικό ςμήμα σηµείο ςξσ ρυξιμιξύ μπξοεί μα −3 µάζας m = 2 · 10 kg . θεχοηθεί σλικό ρημείξ μάζαπ

http://perifysikhs.wordpress.com 204 Μιχάλης Ε. Καραδημητρίου

.

Σελίδα 9


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου α. Πόσο απέχει από την πηγή του κύµατος το σηµείο Κ στο οποίο αναφέρεται η παραπάνω γραφική παράσταση· ϐ. Να ϐρείτε το πλάτος και το µήκος κύµατος αυτού του κύµατος. γ. Να γράψετε την εξίσωση του κύµατος. δ. Να κάνετε τη γραφική παράσταση της δυναµικής ενέργειας ταλάντωσης σε συνάρτηση µε το χρόνο και για ένα άλλο µόριο Μ του ελαστικού µέσου που ϐρίσκεται στη ϑέση x = 16m. Να ϑεωρήσετε : π 2 ' 10.

205


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Επαλληλία Αρµονικών Κυµάτων 5ο Σετ Ασκήσεων - ∆εκέµβρης 2012 Α. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α.1. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Α και Β ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος Α. Τα σηµεία της µεσοκαθέτου του τµήµατος ΑΒ της επιφάνειας του υγρού, µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτά, ϑα ταλαντώνονται µε πλάτος : α. 0 ϐ.

A 2

γ. Α δ. 2Α

Α.2. ΄Οταν δύο κύµατα διαδίδονται ταυτόχρονα στην ίδια περιοχή ενός ελαστικού µέσου, η αρχή της επαλληλίας των κυµάτων : α. ισχύει µόνο αν έχουν το ίδιο πλάτος. ϐ. δεν ισχύει στις περιπτώσεις που η ισχύς των κυµάτων µεταβάλλει τις ιδιότητες του µέσου. γ. καθορίζει το ποσοστό συνεισφοράς του κάθε κύµατος, ανάλογα µε την ταχύτητα διάδοσης. δ. ορίζει ότι τα υλικά σηµεία του µέσου ακολουθούν τη συχνότητα του κύµατος µε το µεγαλύτερο πλάτος.

Α.3. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 , Π2 ταλαντώνονται κάθετα στην ελαστική επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος Α, παϱάγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ. Τα κύµατα συµβάλλουν στη επιφάνεια του υγρού. Σηµείο (Σ) της επιφάνειας του υγρού : α. ϑα παραµείνει ακίνητο µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτό, εάν ισαπέχει από τις πηγές Π1 και Π2 . 206


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐ. ϑα είναι σηµείο ενίσχυσης αν οι αποστάσεις του (Σ) από τις πηγές Π1 και Π2 διαφέρουν κατά 1,5λ. γ. ϑα είναι σηµείο απόσβεσης αν οι αποστάσεις του (Σ) από τις πηγές Π1 και Π2 διαφέρουν κατά 1,5λ. δ. ϑα ταλαντώνεται µε πλάτος Α, µετά τη συµβολή των κυµάτων, αν οι αποστάσεις του (Σ) από τις πηγές Π1 , Π2 διαφέρουν κατά 0,5λ.

Α.4. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 , Π2 ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος Α. Σηµείο (Σ)

35λ από την πηγή Π1 και κα6 11λ τά r2 = από την πηγή Π2 , όπου λ το µήκος κύµατος των 6 της επιφάνειας απέχει κατά r1 =

κυµάτων. α. Το (Σ) είναι σηµείο ενίσχυσης. ϐ. Το (Σ) µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτό ταλαντώνεται µε πλάτος γ. Τα κύµατα ϕτάνουν στο (Σ) µε χρονική διαφορά

√ 3A.

T . 2

δ. Το (Σ) είναι σηµείο απόσβεσης.

Α.5. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 , Π2 ταλαντώνονται κάθετα στην ελαστική επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος Α, παϱάγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ. Τα κύµατα συµβάλλουν στη επιφάνεια του υγρού. α. Αν r1 , r2 οι αποστάσεις ενός σηµείου της επιφάνειας από τις κυµατικές πηγές, τότε το πλάτος ταλάντωσης του σηµείου µετά τη συµβολή των κυµάτων ισούται µε |2Aσυν(2π

r1 − r2 )|. 2λ

ϐ. Τα υλικά σηµεία που ταλαντώνονται έχουν την ίδια συχνότητα. γ. ∆ύο οποιαδήποτε σηµεία της επιφάνειας, αν κινούνται µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτά, τότε ταλαντώνονται είτε σε αντίθεση είτε σε συµφωνία ϕάσης. δ. Τα υλικά σηµεία όπου τα κύµατα συµβάλλουν ενισχυτικά ταλαντώνονται µε ενέργεια ταλάντωσης διπλάσια από την ενέργεια ταλάντωσης των πηγών. 207


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.6.∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 , Π2 ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος Α, παράγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ. Τα κύµατα συµβάλλουν στη επιϕάνεια του υγρού. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασµένες· α. ΄Ολα τα σηµεία που ταλαντώνονται µε πλάτος 2Α ισαπέχουν από τις πηγές. ϐ. Αν η διαφορά των αποστάσεων ενός σηµείου της επιφάνειας από τις κυµατικές πηγές ισούται µε ακέραιο πολλαπλάσιο του απόσβεσης.

λ , τότε το σηµείο είναι σηµείο 2

γ. Αν τα κύµατα ϕτάνουν σε ένα σηµείο της επιφάνειας µε χρονική διαφορά όπου Τ περίοδος των κυµάτων, τότε το σηµείο είναι σηµείο ενίσχυσης.

3T , 2

δ. Αν τα κύµατα ϕτάνουν σε ένα σηµείο της επιφάνειας µε διαφορά ϕάσης 12π τότε το σηµείο είναι σηµείο ενίσχυσης.

Α.7. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις τα εγκάρσια αρµονικά κύµατα : y1 = Aηµ2π( και y2 = Aηµ2π(

t x − ) T λ

t x + ) δηµιουργώντας στάσιµο κύµα. ΄Ολα τα T λ

σηµεία του µέσου που ταλαντώνονται : α. έχουν ίσα πλάτη. ϐ. ϐρίσκονται σε συµφωνία ϕάσης. γ. διέρχονται ταυτόχρονα από τη ϑέση ισορροπίας. δ. έχουν την ίδια ενέργεια ταλάντωσης.

Α.8. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις τα εγκάρσια αρµονικά κύµατα : y1 = Aηµ2π( και y2 = Aηµ2π(

t x + ) δηµιουργώντας στάσιµο κύµα. Το πλάτος T λ

ταλάντωσης των σηµείων του µέσου : α. εξαρτάται από τη ϑέση του υλικού σηµείου. ϐ. εξαρτάται από τη ϑέση του σηµείου και τη χρονική στιγµή. 208

t x − ) T λ


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου γ. εξαρτάται από τη χρονική στιγµή. δ. είναι το ίδιο για όλα τα σηµεία του µέσου

Α.9. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις τα εγκάρσια αρµονικά κύµατα : y1 = Aηµ2π( και y2 = Aηµ2π(

t x − ) T λ

t x + ) δηµιουργώντας στάσιµο κύµα. Ποιες από T λ

τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασµένες ; α. Η συχνότητα ταλάντωσης των σηµείων της χορδής εξαρτάται από τη ϑέση τους.

ϐ. Η χορδή ευθυγραµµίζεται ανά

T όπου Τ η περίοδος των κυµάτων. 2

γ. Η ελάχιστη απόσταση µεταξύ δύο δεσµών ισούται µε

λ . 2

δ. ∆ύο διαδοχικές κοιλίες ταλαντώνονται εν ϕάση.

Α.10. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις τα εγκάρσια αρµονικά κύµατα : y1 = Aηµ2π( και y2 = Aηµ2π(

x t − ) T λ

t x + ) δηµιουργώντας στάσιµο κύµα. Ποιες από T λ

τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασµένες ; α. Η διαφορά ϕάσης δύο σηµείων που ϐρίσκονται µεταξύ δύο διαδοχικών δεσµών είναι µηδενική. ϐ. Το πλάτος των σηµείων που ταλαντώνονται µεταβάλλεται περιοδικά µε το χρόνο. γ. Η ενέργεια δεν διαδίδεται στη χορδή αλλά παραµένει εντοπισµένη.

δ. Η απόσταση µίας κοιλίας από τον πλησιέστερο δεσµό ισούται µε µήκος κύµατος των κυµάτων.

λ , όπου λ το 4

209


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.11. Στη χορδή µιας κιθάρας, της οποίας τα άκρα είναι σταθερά στερεωµένα, δηµιουργείται στάσιµο κύµα. Το µήκος της χορδής είναι ίσο µε L. Τέσσερα (4) συνολικά σηµεία (µαζί µε τα άκρα) παραµένουν συνεχώς ακίνητα. Αν λ είναι το µήκος κύµατος των κυµάτων από τη συµβολή των οποίων προήλθε το στάσιµο κύµα, τότε : α. L = 3λ ϐ. L = 2λ γ. L =

3λ 2

δ. L = λ

Β. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής µε αιτιολόγηση Β.1.∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 , Π2 ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος Α , παράγοντας κύµατα συχνότητας f και µήκους κύµατος λ . Σηµείο (Σ) της επιϕάνειας του υγρού απέχει κατά r1 = 4λ από την πηγή Π1 και κατά

r2 =

17λ από την πηγή Π2 . Η µέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης του 6

σηµείου (Σ) αφού συµβάλλουν σε αυτό τα κύµατα ισούται µε : √

α. 2 3πf A ϐ. 4πf A γ. πf A Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.2. Κατά µήκος µίας ελαστικής χορδής που ταυτίζεται µε τον άξονα x0 Ox έχει δηµιουργηθεί στάσιµο κύµα, ως αποτέλεσµα της συµβολής δύο αντίθετα διαδιδόµενων αρµονικών κυµάτων µε το ίδιο πλάτος Α και το ίδιο µήκος κύµατος λ = 0, 8m. Στο σηµείο Ο (x = 0) έχει δηµιουργηθεί κοιλία. Τα σηµεία Α ( xA = 0, 4m ) και Β ( xB = 1, 6m) παρουσιάζουν διαφορά ϕάσης : α. πrad 210


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐ.

π rad 2

γ. 0rad Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.3. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Α και Β ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος, παράγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ = 0, 8m . Σηµείο Σ της επιφάνειας του υγρού απέχει r1 = 2, 6m από την πηγή Α και µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτό παραµένει ακίνητο. Η απόσταση r2 του Σ από την πηγή Β µπορεί να είναι ίση µε : α. 1, 8m ϐ. 0, 6m γ. 2m Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.4. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Α και Β ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος, παράγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ. Αν η απόσταση των πηγών ισούται µε λ , τότε µεταξύ των πηγών διέρχονται : α. δύο υπερβολές ενίσχυσης και δύο υπερβολές απόσβεσης. ϐ. µία υπερβολή ενίσχυσης και δύο υπερβολές απόσβεσης. γ. µία υπερβολή ενίσχυσης και καµία υπερβολή απόσβεσης. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.5. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 ,Π2 ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος A = 0, 4m και περίοδο T = 0, 1s . Τα παραγόµενα κύµατα έχουν µήκος κύµατος λ . Σηµείο (Σ) της επιφάνειας απέχει r1 από την πηγή Π1 και r2 από την πηγή Π2 , µε r1 −r2 =

31λ . Το σηµείο (Σ), µετά τη συµβολή 6

των κυµάτων σε αυτό, έχει µέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης µέτρου α. 16πm/s 211


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

ϐ. 8π 3m/s γ. 2πm/s Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.6. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 ,Π2 ταλαντώνονται κάθετα στην ελαστική επιφάνεια ενός υγρού µε το ίδιο πλάτος A , παράγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ. Τα κύµατα συµβάλλουν στη επιφάνεια του υγρού. Το πλήθος των υπερβολών ενίσχυσης που τέµνουν το τµήµα που συνδέει τις πηγές : α. είναι άρτιο. ϐ. είναι περιττό. γ. είναι άρτιο αν οι πηγές απέχουν κατά ακέραιο πολλαπλάσιο του και περιττό αν οι πηγές απέχουν περιττό πολλαπλάσιο του

λ . 2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.7. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις δύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε το ίδιο πλάτος Α και το ίδιο µήκος κύµατος λ , µε αποτέλεσµα στη χορδή να έχει δηµιουργηθεί στάσιµο κύµα. Τα σηµεία Α και Β του µέσου είναι κοιλίες ενώ (ΑΒ)=3λ. Μεταξύ των Α και Β εµφανίζονται : α. 6 κοιλίες. ϐ. 6 δεσµοί. γ. 5 δεσµοί. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.8. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις δύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε πλάτος A = 0, 2m και συχνότητα f = 5Hz . Τα κύµατα διαδίδονται µε ταχύτητα υ = 2m/s και δηµιουργούν στάσιµο κύµα, µε κοιλία στο σηµείο Ο(x = 0) , για το οποίο γνωρίζουµε ότι τη χρονική στιγµή t = 0 διέρχεται από τη ϑέση ισορροπίας του µε ϑετική ταχύτητα. Το στάσιµο κύµα έχει εξίσωση : α. y = 0, 4συν(5πx)ηµ(10πt) (S.I.) 212


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐ. y = 0, 4συν(10πx)ηµ(5πt) (S.I.) γ. y = 0, 4συν(5πx)ηµ(5πt) (S.I.)

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.9. Κατά µήκος µίας ελαστικής χορδής που ταυτίζεται µε τον άξονα x0 Ox έχει δηµιουργηθεί στάσιµο κύµα, ως αποτέλεσµα της συµβολής δύο αντίθετα διαδιδόµενων αρµονικών κυµάτων µε το ίδιο πλάτος και την ίδια συχνότητα. Τα σηµεία Α και Β της χορδής είναι διαδοχικά σηµεία στα οποία εµφανίζονται κοιλίες σε συµφωνία ϕάσης. Μεταξύ των Α και Β υπάρχουν : α. δύο δεσµοί. ϐ. ένας δεσµός. γ. τρεις δεσµοί.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.10. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις δύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε ίσα πλάτη και ίσες συχνότητες. Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα. ∆ύο υλικά σηµεία Κ, Λ του µέσου απέχουν µεταξύ τους απόσταση

λ . Η διαφορά ϕάσης µε την οποία ταλαντώνονται τα 4

σηµεία Κ και Λ µπορεί να είναι ίση µε : α. 0 ϐ.

π 4

γ.

π 2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 213


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.11. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις δύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε πλάτος Α και µήκος κύµατος λ = 1, 2m . Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα, µε κοιλία στο σηµείο . Τα υλικά σηµεία Ο (x = 0) και Α(xA > 0) είναι διαδοχικά σηµεία µε µέγιστο πλάτος ταλάντωσης που ϐρίσκονται σε συµφωνία ϕάσης. Η συντεταγµένη της ϑέσης του σηµείου Α είναι : α. xA = 0, 3m ϐ. xA = 0, 6m γ. xA = 1, 2m Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.12. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις δύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε πλάτος Α και µήκος κύµατος λ. Το σηµείο Α του µέσου είναι δεσµός ενώ το σηµείο Β είναι κοιλία. Μεταξύ των Α και Β εµφανίζονται τρεις κοιλίες.Η απόσταση µεταξύ των Α και Β ισούται µε : α.

5λ 4

ϐ.

7λ 4

γ.

7λ 2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.13. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 ,Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία (Α) και (Β) αντίστοιχα της ελαστικής επιφάνειας ενός υγρού. Οι πηγές ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού µε το ίδιο πλάτος Α, παράγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ. Αν (ΑΒ) = 2, 4λ , τότε µεταξύ των (Α) και (Β) και επί του (ΑΒ) το πλήθος των σηµείων απόσβεσης είναι : α. 4. ϐ. 5. 214


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου γ. 6. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.14.∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 ,Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία (Α) και (Β) αντίστοιχα της ελαστικής επιφάνειας ενός υγρού. Οι πηγές ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού µε το ίδιο πλάτος Α , παράγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ. Τα κύµατα των πηγών συµβάλλουν σε σηµείο (Σ) της επιφάνειας µε χρονική διαφορά ∆t = T . Η µέγιστη ταχύτητα του υλικού σηµείου (Σ) µετά τη συµβολή των κυµάτων είναι : α. ίση µε τη µέγιστη ταχύτητα της ταλάντωσης των πηγών. ϐ. διπλάσια από τη µέγιστη ταχύτητα της ταλάντωσης των πηγών. γ. τριπλάσια από τη µέγιστη ταχύτητα της ταλάντωσης των πηγών.

Β.15. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 ,Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία (Α) και (Β) αντίστοιχα της ήρεµης επιφάνειας ενός υγρού. Οι πηγές ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού µε το ίδιο πλάτος Α , παράγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ . Η απόσταση µεταξύ δύο διαδοχικών σηµείων απόσβεσης που ανήκουν στο τµήµα (ΑΒ) ισούται µε : α. λ

λ 2 λ γ. 4

ϐ.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.16. Κατά µήκος µιας οριζόντιας ελαστικής χορδής µήκους L της οποίας τα άκρα είναι ακλόνητα στερεωµένα σε ακίνητα εµπόδια, έχει δηµιουργηθεί στάσιµο κύµα ως αποτέλεσµα της συµϐολής δύο αντίθετα διαδιδόµενων αρµονικών κυµάτων µε το ίδιο πλάτος και την ίδια συχνότητα f . Τα κύµατα διαδίδονται µε ταχύτητα 7, 2m/s. Αν µεταξύ των άκρων της χορδής εµφανίζονται 4 δεσµοί, τότε η συχνότητα των κυµάτων είναι : α. 2, 5Hz 215


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου ϐ. 5Hz γ. 7, 5Hz

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.17. Κατά µήκος µίας ελαστικής χορδής που ταυτίζεται µε τον άξονα x0 Ox έχει δηµιουργηθεί στάσιµο κύµα, ως αποτέλεσµα της συµβολής δύο αντίθετα διαδιδόµενων αρµονικών κυµάτων µε το ίδιο πλάτος Α και το ίδιο µήκος κύµατος λ. Το στάσιµο κύµα 2πt έχει εξίσωση y = 2Aσυν( 2πx λ )ηµ( T ). Η αποµάκρυνση του σηµείου Α(xA = λ3 ) τη χρονική στιγµή που το σηµείο Β(xB = 6λ 5 ) ϐρίσκεται σε µέγιστη ϑετική αποµάκρυνση ισούται µε : α. 0, 4m ϐ. −0, 4m γ. 0, 2m

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.18. Κατά µήκος µίας ελαστικής χορδής που ταυτίζεται µε τον άξονα x0 Ox έχει δηµιουργηθεί στάσιµο κύµα, ως αποτέλεσµα της συµβολής δύο αντίθετα διαδιδόµενων αρµονικών κυµάτων ίδιας συχνότητας και ίδιου πλάτους, έτσι ώστε στο σηµείο Ο(x = 0) να δηµιουργείται κοιλία. Τα σηµεία Α(xA = 4, 5λ) και Β(xB = 6λ) : α. ταλαντώνονται σε αντίθεση ϕάσης. ϐ. ταλαντώνονται σε συµφωνία ϕάσης. γ. είναι ακίνητα.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 216


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Γ.Ασκήσεις Γ.1. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 , Π2 ταλαντώνονται µε το ίδιο πλάτος A = 0, 2m , κάθετα στην ελαστική επιφάνεια ενός υγρού, παράγοντας κύµατα µε µήκος κύµατος λ = 0, 6m. Οι πηγές ξεκινούν να ταλαντώνονται τη χρονική στιγµή t = 0 µε ϑετική ταχύτητα. Σηµείο (Σ) της επιφάνειας απέχει κατά r1 = 7, 6m από την πηγή Π1 και κατά r2 = 4, 8m από την πηγή Π2 . Το (Σ) ξεκινά να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t = 12s . α. Να υπολογίσετε το πλάτος της ταλάντωσης του (Σ) µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτό. ϐ. Να γράψετε την εξίσωση της αποµάκρυνσης του (Σ) σε συνάρτηση µε το χρόνο, αφού συµβάλλουν σε αυτό τα κύµατα. γ. Να υπολογίσετε την επιτάχυνση του (Σ) τη χρονική στιγµή t0 =

770 s. 16

δ. δ) Να υπολογίσετε το πηλίκο της κινητικής ενέργειας του σηµείου Σ προς την ενέργεια ταλάντωσής του, τη χρονική στιγµή t0 . (Θεωρήστε ότι π 2 ' 10 )

Γ.2.∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της ήρεµης επιφάνειας ενός υγρού και απέχουν κατά d = 4m. Οι πηγές ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια το�� υγρού χωρίς αρχική ϕάση, δηµιουργώντας κύµατα µήκους λ = 0, 8m τα οποία διαδίδονται µε ταχύτητα υ = 2m/s . Η πηγή ισαπέχει από το σηµείο (Σ) της επιφάνειας και από το µέσο Μ του ΑΒ. Στο (Σ) τα κύµατα ϕτάνουν µε χρονική διαφορά ∆t = 0, 8s . Το σηµείο Μ ταλαντώνεται µε πλάτος 0, 8m. α. Να εξετάσετε το είδος της συµβολής που συµβαίνει στο (Σ). ϐ. Να υπολογίσετε τις αποστάσεις r1 και r2 . γ. Να προσδιορίσετε τις ϑέσεις των σηµείων απόσβεσης µεταξύ των Α και Β. 217


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Γ.3. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της επιφάνειας ενός υγρού. Τη χρονική στιγµή t = 0 οι πηγές ξεκινούν να ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού, µε την αποµάκρυνση τους να περιγράφεται από την εξίσωση y = Aηµωt . Τα κύµατα που δηµιουργούν διαδίδονται µε ταχύτητα 2m/s . Σηµείο (Σ) της επιϕάνειας απέχει κατά r1 από την πηγή Π1 και κατά r2 = 2m(r2 > r1 από την πηγή Π2 . Εξαιτίας του κύµατος που προέρχεται από την πηγή το (Σ) εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε εξίσωση y1Σ = 0, 4ηµ2π(2t − 1, 75) (S.I.). α. Να υπολογίσετε την απόσταση r1 . ϐ. Να γράψετε την εξίσωση της ταχύτητας του σηµείου (Σ). γ. Να υπολογίσετε την ελάχιστη συχνότητα ταλάντωσης των πηγών, ώστε το (Σ) να είναι σηµείο απόσβεσης.

Γ.4. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της επιφάνειας ενός υγρού. Τη χρονική στιγµή t = 0 οι πηγές ξεκινούν να ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού, µε την αποµάκρυνση τους να περιγράφεται από την εξίσωση y = Aηµωt . Τα κύµατα που δηµιουργούν έχουν µήκος κύµατος λ = 0, 4m . Σηµείο (Σ) της επιφάνειας απέχει κατά r1 = 2, 5m από την πηγή Π1 και κατά r2 = 4m από την πηγή Π2 . Αφού τα κύµατα συµβάλλουν στο (Σ), αυτό εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση µε συχνότητα 5Hz και πλάτος 1m. α. Να υπολογίσετε τη χρονική διαφορά άφιξης των κυµάτων στο (Σ) καθώς και τη διαφορά ϕάσης µε την οποία ϕτάνουν. ϐ. Να υπολογίσετε το πλάτος των κυµάτων. γ. Να γράψετε την εξίσωση αποµάκρυνσης του Σ σε συνάρτηση µε το χρόνο, µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτό. δ. Να υπολογίσετε την ελάχιστη συχνότητα ταλάντωσης των πηγών, ώστε το (Σ) να είναι ακίνητο µετά τη συµβολή των κυµάτων. 218


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Γ.5. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της επιφάνειας ενός υγρού. Τη χρονική στιγµή t = 0 οι πηγές ξεκινούν να ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού, µε την αποµάκρυνση τους να περιγράφεται από την εξίσωση y = 0, 2ηµ(10πt). Τα κύµατα που δηµιουργούν έχουν µήκος κύµατος λ = 0, 4m . Σηµείο (Σ) της επιφάνειας απέχει κατά r1 = 2, 5m από την πηγή Π1 και κατά r2 > r1 από την πηγή Π2 . Τα δύο κύµατα ϕτάνουν στο (Σ) µε χρονική διαφορά 0, 3s. α. Να υπολογίσετε την ταχύτητα διάδοσης των κυµάτων. ϐ. Να υπολογίσετε την απόσταση r2 . γ. Να εξετάσετε το είδος της συµβολής που συµβαίνει στο σηµείο (Σ). δ. Να γράψετε τη χρονική εξίσωση της δύναµης επαναφοράς που δέχεται ένα σηµειακό κοµµάτι ξύλου µάζας m = 5g που αρχικά ισορροπούσε στο σηµείο (Σ). (Θεωρήστε ότι π 2 ' 10 )

Γ.6.∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της επιφάνειας ενός υγρού και απέχουν κατά d = 2m. Οι πηγές ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού χωρίς αρχική ϕάση, δηµιουργώντας κύµατα µήκους κύµατος λ = 1, 2m και πλάτους A = 1m. Σηµείο (Λ) του ΑΒ ξεκινά να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t0 = 0, 2s και είναι το πλησιέστερο σηµείο στην πηγή Π2 το οποίο µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτό ταλαντώνεται µε µέγιστο πλάτος. α. Να υπολογίσετε τις αποστάσεις του (Λ) από τις κυµατικές πηγές. ϐ. Να υπολογίσετε την ταχύτητα ταλάντωσης του (Λ) τη στιγµή που τα κύµατα συµβάλλουν στο µέσο Μ του ΑΒ. γ. Να υπολογίσετε την απόσταση (ΚΛ) όπου (Κ) το πλησιέστερο στην Π1 ακίνητο σηµείο του ΑΒ. δ. Σηµείο (Ζ) της επιφάνειας ανήκει στην ίδια υπερβολή απόσβεσης µε το (Κ). Αν αυξήσουµε κατά 20% τη συχνότητα των πηγών, να υπολογίσετε το νέο πλάτος ταλάντωσης του σηµείου (Ζ).

≈ −0, 81 . ∆ίνεται συν 4π 5 219


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Γ.7.Οριζόντια ελαστική χορδή µήκους L έχει τα άκρα της στερεωµένα σε ακλόνητα εµπόδια. Στη χορδή έχει δηµιουργηθεί στάσιµο κύµα, ως αποτέλεσµα της ταυτόχρονης διάδοσης στη χορδή δύο αντίρροπα διαδιδόµενων κυµάτων, µε το ίδιο πλάτος A = 0, 2m και το ίδιο µήκος κύµατος λ = 0, 4m. α. Πόσες κοιλίες εµφανίζονται στη χορδή ; ϐ. Να σχεδιάσετε το στιγµιότυπο της χορδής τη χρονική στιγµή κατά την οποία η πλησιέστερη κοιλία στο αριστερό άκρο της χορδής ϐρίσκεται σε µέγιστη ϑετική αποµάκρυνση. γ. Να υπολογίσετε το ποσοστό µεταβολής της συχνότητας των κυµάτων που πρέπει να επιφέρουµε, ώστε στη χορδή να εµφανίζονται 5 κοιλίες.

Γ.8. ∆ύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε το ίδιο πλάτος και την ίδια συχνότητα διαδίδονται µε αντίθετες κατευθύνσεις σε γραµµικό ελαστικό µέσο το οποίο ταυτίζεται µε τον οριζόντιο άξονα x0 Ox. Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα µε κοιλία στο σηµείο Ο (x = 0).Η εξίσωση του στάσιµου κύµατος είναι :

y = 0, 4συν(2, 5πx)ηµ(20πt) (S.I.)

α. Να υπολογίσετε την ταχύτητα διάδοσης των οδεύοντων κυµάτων. ϐ. Να γράψετε τις εξισώσεις των οδεύοντων κυµάτων. γ. Να υπολογίσετε την οριζόντια απόσταση µεταξύ του 3ου δεσµού του ϑετικού ηµιάξονα και της 2ης κοιλίας του ϑετικού ηµιάξονα η οποία ϐρίσκεται σε συµφωνία ϕάσης µε την κοιλία που σχηµατίζεται στο σηµείο Ο(x = 0) . δ. Να υπολογίσετε τη µέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης του σηµείου Ζ (xZ > 0) του οποίου η απόσταση από το Ο(x = 0) είναι µεγαλύτερη από την απόσταση του 2ου δεσµού του ϑετικού ηµιάξονα από το Ο(x = 0) κατά d = 13 m. 220


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Γ.9.∆ύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε πλάτος Α,µήκος κύµατος λ = 0, 4m και συχνότητα f = 1Hz διαδίδονται µε αντίθετες κατευθύνσεις σε χορδή η οποία ταυτίζεται µε τον οριζόντιο άξονα x0 Ox. Τα κύµατα συµβάλλουν δηµιουργώντας στάσιµο κύµα το οποίο στη ϑέση O(x = 0) της χορδής εµφανίζει κοιλία. Το µέγιστο πλάτος ταλάντωσης των σηµείων του µέσου ισούται µε 1, 6cm. α. Να γράψετε την εξίσωση του δηµιουργούµενου στάσιµου κύµατος.

ϐ. Αν ∆ (x∆ =

8 m) υλικό σηµείο της χορδής µε µάζα m = 2gr , να υπολογίσετε 15

τη µέγιστη δύναµη επαναφοράς που δέχεται το ∆ κατά την ταλάντωσή του.

γ. Να υπολογίσετε την ταχύτητα του σηµείου Α (xA = 4, 25m)τη στιγµή που το σηµείο Β(xB = 4, 65m) διέρχεται από τη ϑέση ισορροπίας του µε ϑετική ταχύτητα.

(∆ίνεται π 2 ' 10)

Γ.10. ∆ύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε πλάτος A = 0, 4m , µήκος κύµατος λ = 0, 4m και συχνότητα f = 4Hz διαδίδονται µε αντίθετες κατευθύνσεις σε ελαστική χορδή η οποία ταυτίζεται µε τον οριζόντιο άξονα x0 Ox. Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα το οποίο στη ϑέση O(x = 0) εµφανίζει κοιλία. Τα σηµεία Α και Β της χορδής ταλαντώνονται µε πλάτος A0 = 0, 8m και µεταξύ τους παρεµβάλλονται 3 δεσµοί. α. Να γράψετε την εξίσωση του στάσιµου κύµατος.

ϐ. Να υπολογίσετε την απόσταση ΑΒ.

γ. Να υπολογίσετε την αποµάκρυνση και την √ ταχύτητα του σηµείου Α όταν η αποµάκρυνση του σηµείου Β είναι yB = 0, 2 7m και η ταχύτητα του ϑετική. δ. Να σχεδιάσετε το στιγµιότυπο του τµήµατος ΑΒ τη χρονική στιγµή t2 = t1 + T4 , όπου t1 χρονική στιγµή κατά την οποία το σηµείο Α διέρχεται από τη ϑέση ισορροπίας µε ϑετική ταχύτητα. 221


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Γ.11.∆ύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε το ίδιο πλάτος και την ίδια συχνότητα διαδίδονται µε αντίθετες κατευθύνσεις σε γραµµικό ελαστικό µέσο το οποίο ταυτίζεται µε τον οριζόντιο άξονα ξ΄Οξ. Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα το οποίο στη ϑέση O(x = 0) εµφανίζει κοιλία. Η εξίσωση του στάσιµου κύµατος είναι :

y = 0, 4συν(2, 5πx)ηµ(20πt)

α. Να προσδιορίσετε τη ϑέση του δεσµού Α(xA ) του ϑετικού ηµιάξονα µεταξύ του οποίου και του O(x = 0) παρεµβάλλονται 2 ακόµα δεσµοί. ϐ. Να γράψετε την εξίσωση ταλάντωσης του σηµείου Β (xB = 3, 2m). γ. Να υπολογίσετε το πλήθος των δεσµών µεταξύ των Α και Β.

Γ.12. ∆ύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε πλάτος 0, 8m και συχνότητα 5Hz διαδίδονται µε αντίθετες κατευθύνσεις σε γραµµικό ελαστικό µέσο το οποίο ταυτίζεται µε τον οριζόντιο άξονα x0 Ox. Το κάθε κύµα εξαναγκάζει το σηµείο O(x = 0) σε ταλάντωση της µορφής y = Aηµ(ωt) . Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα όπου δύο διαδοχικές κοιλίες απέχουν κατά 0, 2m. α. Να υπολογίσετε την ταχύτητα διάδοσης των οδεύοντων κυµάτων. ϐ. Να γράψετε την εξίσωση του στάσιµου κύµατος. γ. Να υπολογίσετε το πλήθος των ακίνητων σηµείων του τµήµατος Ο∆, όπου ∆ (x∆ = 0, 8m). δ. Να σχεδιάσετε το στιγµιότυπο του τµήµατος Ο∆ της χορδής τη χρονική στιγµή t1 = 0, 35s.

Γ.13. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο το οποίο ταυτίζεται µε τον οριζόντιο άξονα x0 Ox, διαδίδονται τα :

( y1 = −0, 2ηµ2π(t − 2, 5x) y2 = 0, 2ηµ2π(t + 2, 5x)

(S.I.)

Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα. α. Να γράψετε την εξίσωση του στάσιµου κύµατος. 222


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐ. Να γράψετε τη συνθήκη κοιλιών και τη συνθήκη δεσµών. γ. Να υπολογίσετε το πλήθος των δεσµών µεταξύ του σηµείου O(x = 0) και του σηµείου A(xA = 5m) .

∆.Προβλήµατα ∆.1. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της επιφάνειας ενός υγρού. Τη χρονική στιγµή t = 0 οι πηγές ξεκινούν να ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού, µε την αποµάκρυνση τους να περιγράφεται από την εξίσωση y = 0, 2ηµ(4πt)(S.I.). Τα παραγόµενα κύµατα έχουν µήκος κύµατος λ = 0, 1m . Σηµείο (Σ) της επιφάνειας απέχει κατά r1 = 0, 3m από την πηγή Π1 και κατά r2 = 0, 8m από την πηγή Π2 . α. Να γράψετε τις εξισώσεις των επιµέρους ταλαντώσεων που υποχρεώνεται να εκτελέσει το σηµείο (Σ), εξαιτίας των δύο κυµάτ��ν που ϕτάνουν σε αυτό από κάθε πηγή. ϐ. Να υπολογίσετε το πλάτος ταλάντωσης του σηµείου (Σ), µετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτό. γ. Να γράψετε την εξίσωση επιτάχυνσης του υλικού σηµείου (Σ) σε συνάρτηση µε το χρόνο για t ≥ 0 . (Θεωρήστε ότι π 2 ' 10 )

∆.2. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της επιφάνειας ενός υγρού. Τη χρονική στιγµή t = 0 οι πηγές ξεκινούν να ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού, µε την αποµάκρυνση τους να περιγράφεται από την εξίσωση y = 0, 2ηµ(10πt)(S.I.). Σηµείο (Σ) της επιφάνειας απέχει κατά r1 = 4, 2m από την πηγή Π1 και κατά r2 > r1 από την πηγή Π2 . Το (Σ) ξεκινά να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t1 = 1, 05s ενώ από τη χρονική στιγµή t2 = 1, 55s και έπειτα σταµατά να κινείται. α. Να υπολογίσετε την ταχύτητα των κυµάτων και την απόσταση r2 . ϐ. Να γράψετε την εξίσωση της αποµάκρυνσης του (Σ) σε συνάρτηση µε το χρόνο και της ταχύτητας ταλάντωσης του σε συνάρτηση µε το χρόνο. 223


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου γ. Να κάνετε τη γραφική παράσταση της αλγεβρικής τιµής της επιτάχυνσης του (Σ) ως συνάρτηση του χρόνου σε κατάλληλα ϐαθµολογηµένο σύστηµα αξόνων.

δ. Να υπολογίσετε την ελάχιστη συχνότητα των κυµάτων που µπορούµε να προκαλέσουµε ώστε στο σηµείο (Σ) να υπάρχει ενίσχυση των κυµάτων.

(Θεωρήστε ότι π 2 ' 10 )

∆.3.∆ύο σύγχρονες ηχητικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της ελαστικής επιφάνειας ενός υγρού και απέχουν κατά d = 5m . Οι πηγές ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού χωρίς αρχική ϕάση µε συχνότητα f = 5Hz δηµιουργώντας κύµατα, τα οποία συµβάλλουν στην επιφάνεια του υγρού. Σηµείο (Σ) απέχει κατά r1(Σ) = 3m από την πηγή Π1 και κατά r2(Σ) > r1(Σ) από την πηγή Π2 . Μετά τη συµβολή των κυµάτων σε αυτό, το (Σ) ταλαντώνεται σύµφωνα µε την εξίσωση :

yΣ = 0, 1ηµπ(10t −

35 ), (S.I) 3

Η ταχύτητα διάδοσης των κυµάτων στην επιφάνεια του υγρού είναι υ = 3m/s. α. Να υπολογίσετε την απόσταση του (Σ) από την Π2 .

ϐ. ϐ) Να υπολογίσετε το πλήθος των σηµείων ενίσχυσης που ϐρίσκονται πάνω στο τµήµα ΑΒ.

γ. Να προσδιορίσετε τη ϑέση του σηµείου (Κ) το οποίο ϐρίσκεται επί του ΑΒ και ανήκει στην ίδια υπερβολή σταθερής απόσβεσης µε το (Σ). Η υπερβολή αυτή ϐρίσκεται στο επίπεδο που ορίζουν τα σηµεία Α, Β και Σ.

δ. Να γράψετε την εξίσωση αποµάκρυνσης του σηµείου (Κ) σε συνάρτηση µε το χρόνο. 224


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

∆.4. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της επιφάνειας υγρού και απέχουν κατά d = 4, 8m. Οι πηγές ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού χωρίς αρχική ϕάση, δηµιουργώντας κύµατα µήκους κύµατος λ = 0, 8m και πλάτους A = 0, 5m , τα οποία και συµβάλλουν στην επιφάνεια του υγρού. Σηµείο (Σ) της επιφάνειας απέχει κατά r1(Σ) από την πηγή Π1 και κατά r2(Σ) > r1(Σ) από την πηγή Π2 . Το (Σ) ξεκινά να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή t1 = 1, 1s και τη χρονική στιγµή t2 = αφού εκτελέσει 2,5 ταλαντώσεις ακινητοποιείται. Το κύµα από την Π2 ϕτάνει στην Π1 επίσης τη χρονική στιγµή t2 . α. Να υπολογίσετε τις αποστάσεις r1(Σ) και r2(Σ) . ϐ. Να υπολογίσετε το πλήθος των σηµείων του τµήµατος ΑΣ που είναι ακίνητα τη χρονική στιγµή t1 . γ. Να γράψετε την εξίσωση αποµάκρυνσης του σηµείου (Σ) σε συνάρτηση µε το χρόνο. δ. Να υπολογίσετε το πλήθος των υπερβολών ενίσχυσης που τέµνουν το τµήµα ΑΣ µετά τη συµβολή των κυµάτων στο (Σ).

∆.5. ∆ύο σύγχρονες κυµατικές πηγές Π1 και Π2 ϐρίσκονται στα σηµεία Α και Β αντίστοιχα, της ελαστικής επιφάνειας ενός υγρού και ταλαντώνονται κάθετα στην επιφάνεια του υγρού, σύµφωνα µε τις :

( π y1 = 0, 2ηµ(10πt + ) 3 y2 = 0, 2ηµ(10πt)

(S.I.)

Τα δηµιουργούµενα κύµατα διαδίδονται µε ταχύτητα υ = 2m/s α. Να γράψετε την εξίσωση της αποµάκρυνσης ενός σηµείου (Σ) της επιφάνειας το οποίο απέχει κατά r1 από την πηγή Π1 και κατά r2 από την πηγή Π2 , αφού συµβάλλουν τα κύµατα σε αυτό. ϐ. Να γράψετε τη συνθήκη ενίσχυσης για το (Σ). γ. Αν r1 = r2 ποιο είναι το πλάτος ταλάντωσης του (Σ) µετά τη συµβολή ; δ. Αν r1 = r2 ποιά ϑα έπρεπε να είναι η αρχική ϕάση της y1 , ώστε το (Σ) να είναι σηµείο απόσβεσης ; 225


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

∆.6. ∆ύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε εξισώσεις :

  y1 = 0, 2ηµ2π( t + x ) T λ t x  y2 = 0, 2ηµ2π( − ) T λ

(S.I.)

διαδίδονται µε αντίθετες κατευθύνσεις σε γραµµικό ελαστικό µέσο το οποίο ταυτίζεται µε τον οριζόντιο άξονα x0 Ox. Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα το οποίο στη ϑέση O(x = 0) εµφανίζει κοιλία. Στο σηµείο Α (xA = 0, 45m) είναι ο πέµπτος δεσµός του ϑετικού ηµιάξονα. Το σηµείο Β (xB = 1, 025m) διέρχεται από τη ϑέση ισορροπίας του ανά 0, 2s. α. Να υπολογίσετε την ταχύτητα διάδοσης των κυµάτων. ϐ. Να γράψετε την εξίσωση του στάσιµου κύµατος. 13 γ. Να υπολογίσετε την αποµάκρυνση του σηµείου Γ (xΓ = 30 ) τη χρονική στιγµή που το σηµείο ∆ (x∆ = 0, 2m) ϐρίσκεται σε ακραία ϑετική αποµάκρυνση.

δ. Να σχεδιάσετε το στιγµιότυπο του τµήµατος ΑΒ της χορδής τη χρονική στιγµή που η αποµάκρυνση του Ο ισούται µε yo = 0, 4m.

∆.7. Οριζόντια ελαστική χορδή µήκους L = 1m έχει το δεξί άκρο της Α (xA = 1m) στερεωµένο σε ακλόνητο εµπόδιο. Το αριστεϱό άκρο Ο (xo = 0) είναι ελεύθερο να κινηθεί. Στη χορδή έχει δηµιουργηθεί στάσιµο κύµα, µε το Ο να είναι κοιλία, η οποία ταλαντώνεται µε πλάτος Ao = 1, 6m. Η µέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης του Ο ισούται µε υmax(o) = 16πm/s , ενώ µεταξύ των Ο και Α εµφανίζονται δύο δεσµοί. α. Να υπολογίσετε το µήκος κύµατος των κυµάτων των οποίων η συµβολή παρήγαγε το στάσιµο. ϐ. Να γράψετε την εξίσωση του στάσιµου κύµατος. γ. Να σχεδιάσετε το στιγµιότυπο της χορδής τη χρονική στιγµή t1 = 0, 325s. δ. Να υπολογίσετε την αποµάκρυνση του υλικού σηµείου Β(xB = 0, 9m) τη στιγµή που το υλικό σηµείο Ο ϐρίσκεται σε ακραία αρνητική αποµάκρυνση. 226


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

∆.8. ∆ύο εγκάρσια αρµονικά κύµατα µε το ίδιο πλάτος και την ίδια συχνότητα διαδίδονται µε αντίθετες κατευθύνσεις σε γραµµικό ελαστικό µέσο το οποίο ταυτίζεται µε τον οριζόντιο άξονα x0 Ox. Το κάθε κύµα εξαναγκάζει το σηµείο O(x = 0) σε ταλάντωση της µορφής yo = Aηµ(ωt). Τα κύµατα συµβάλλουν και δηµιουργούν στάσιµο κύµα µε εξίσωση :

y = 2Aσυν(5πx)ηµ(8πt)(S.I.) Το υλικό σηµείο Γ (xΓ = πλάτους AΓ = 0, 5m.

7 15 m)

εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση

α. Να γράψετε τις εξισώσεις των οδεύοντων κυµάτων. ϐ. Να υπολογίσετε την ταχύτητα του υλικού σηµείου Γ, τη στιγµή που το O(x = 0) ϐρίσκεται στη µέγιστη ϑετική του αποµάκρυνση.

γ. Υλικό σηµείο ∆ του ϑετικού ηµιάξονα έχει εξίσωση ταχύτητας y∆ = −4 2πσυν(8πt). Αν το σηµείο ∆ ϐρίσκεται µεταξύ της 6ης κοιλίας και του 6ου δεσµού του ϑετικού ηµιάξονα, να προσδιορίσετε τη συντεταγµένη της ϑέσης του ∆. δ. Να υπολογίσετε το πλήθος των σηµείων του τµήµατος Ο∆ της χορδής, τα οποία κάθε χρονική στιγµή έχουν ίση αποµάκρυνση και ίση ταχύτητα µε το ∆.

227


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Η / Μ Κύµα - ∆ιάδοση του Φωτός 6ο Σετ Ασκήσεων - ∆εκέµβρης 2012 Α. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α.1. Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα : α. διαδίδονται σε όλα τα υλικά µε ταχύτητα c = 3 · 108 m/s . ϐ. είναι διαµήκη κύµατα. γ. µπορούν να δηµιουργηθούν κατά την επιβράδυνση νετρονίων όταν αυτά συγκρούονται µε µεταλλικό στόχο. δ. µεταφέρουν ενέργεια ηλεκτρικού και µαγνητικού πεδίου.

Α.2.Ηλεκτροµαγνητικό κύµα συχνότητας f και µήκους κύµατος λ0 διαδίδεται στο κενό. Αν το κύµα διαδιδόταν σε ένα υλικό µέσο, τότε το µήκος κύµατος λ που ϑα είχε κατά τη διάδοση του στο υλικό µέσο ϑα ήταν : α. µικρότερο του λ0 ϐ. µεγαλύτερο του λ0 γ. ίσο µε το λ0 δ. διπλάσιο του λ0

Α.3. Να επιλέξετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές. Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα : α. είναι εγκάρσια.

~ της έντασης του ηλεκτρικού πεϐ. διαδίδονται στη διεύθυνση του διανύσµατος E δίου. ~ γ. διαδίδονται σε διεύθυνση που είναι κάθετη στη διεύθυνση του διανύσµατος B της έντασης του µαγνητικού πεδίου. δ. δεν ικανοποιούν τη ϑεµελιώδη κυµατική εξίσωση. 228


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Α.4. Να επιλέξετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστες. α. Το ορατό ϕάσµα εκτείνεται µεταξύ µερικών mm και 700 nm. ϐ. Η ακτινοβολία γ χρησιµοποιείται στις τηλεπικοινωνίες. γ. Η ακτινοβολία R¨ontgen παράγεται κατά την επιβράδυνση ταχέως κινούµενων ηλεκτρονίων, όταν προσκρούουν σε µεταλλικό στόχο. δ. Το ϕάσµα της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας εκτείνεται µεταξύ 400nm και 700nm.

Α.5. Να επιλέξετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές. ΄Ενα ηλεκτροµαγνητικό κύµα παράγεται από ταλαντούµενο ηλεκτρικό δίπολο και διαδίδεται στο κενό. Μακριά από το δίπολο : α. τα διανύσµατα των εντάσεων του ηλεκτρικού και µαγνητικού πεδίου είναι παϱάλληλα στη διεύθυνση διάδοσης του κύµατος. ϐ. η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου παρουσιάζει διαφορά ϕάσης π/2 ϱαδ µε την ένταση του µαγνητικού πεδίου. γ. το πηλίκο

Emax ισούται µε 3 · 108 m/s. Bmax

δ. η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σχηµατίζει γωνία γνητικού πεδίου.

π rad µε την ένταση του µα2

Α.6. Να επιλέξετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές. α. Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα δεν υπακούουν στην αρχή της επαλληλίας. ϐ. Μονοχρωµατική ονοµάζεται η ακτινοβολία που ανήκει στο ορατό ϕάσµα. γ. Τα ϱαδιοκύµατα έχουν µικρότερη συχνότητα από την υπεριώδη ακτινοβολία. δ. Οι ακτίνες R¨ontgen έχουν γενικά µήκος κύµατος µεγαλύτερο από αυτό των ακτίνων γ. 229


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.7. Η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων : α. ισούται πάντα µε 3 · 108 m/s. ϐ. είναι ανάλογη της συχνότητας του κύµατος. γ. εξαρτάται από τις ιδιότητες του µέσου διάδοσης. δ. είναι παράλληλη στην ένταση του ηλεκτρικού πεδίου.

Α.8.Ηλεκτροµαγνητικό κύµα µπορεί να δηµιουργηθεί όταν : α. τα ηλεκτρόνια µίας δέσµης ηλεκτρονίων κινούνται ευθύγραµµα οµαλά. ϐ. τα νετρόνια µίας δέσµης νετρονίων επιβραδύνονται. γ. τα πρωτόνια µιας δέσµης πρωτονίων επιταχύνονται. δ. τα νετρόνια µιας δέσµης νετρονίων κινούνται ισοταχώς.

Α.9. Φωτεινή ακτίνα διαδίδεται σε ένα οπτικό µέσο και συναντά τη λεία διαχωριστική επιφάνεια µε δεύτερο οπτικό µέσο.Να επιλέξετε τις σωστές προτάσεις. α. Η ανακλώµενη ακτίνα διαδίδεται ταχύτερα σε σχέση µε την προσπίπτουσα. ϐ. Η γωνία ανάκλασης εξαρτάται από το δείκτη διαθλάσεως του υλικού της διαχωϱιστικής επιφάνειας των µέσων. γ. Η γωνία ανάκλασης και η γωνία πρόσπτωσης είναι ίσες µεταξύ τους. δ. Η ανακλώµενη ακτίνα έχει το ίδιο µήκος κύµατος µε την προσπίπτουσα.

Α.10. ΄Οταν µία ϕωτεινή ακτίνα ανακλάται τότε η ανακλώµενη ακτίνα σε σχέση µε την προσπίπτουσα έχει : α. διαφορετική διεύθυνση. ϐ. διαφορετική ταχύτητα διάδοσης. γ. διαφορετική συχνότητα. δ. διαφορετικό µέσο διάδοσης. 230


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Α.11. ΄Οταν µια δέσµη παράλληλων ϕωτεινών ακτίνων προσπίπτουν σε µία ανακλώσα επιφάνεια, τότε : α. αν η ανακλώσα επιφάνεια είναι τραχιά, συµβαίνει κατοπτρική ανάκλαση. ϐ. αν η ανακλώσα επιφάνεια είναι λεία, οι ανακλώµενες ακτίνες παραµένουν παϱάλληλες µεταξύ τους. γ. το µήκος κύµατος της ανακλώµενης δέσµης είναι διαφορετικό από αυτό της προσπίπτουσας. δ. η ανακλώµενη δέσµη εκτρέπεται σε σχέση µε την προσπίπτουσα κατά γωνία ίση µε την κρίσιµη γωνία του οπτικού µέσου.

Α.12. Μονοχρωµατική ϕωτεινή ακτίνα διαδίδεται σε οπτικό µέσο µε δείκτη διαθλάσεως n και προσπίπτει στη διαχωριστική επιϕάνεια του υλικού µε τον περιβάλλοντα αέρα υπό γωνία πρόσπτωσης θπ τέτοια ώστε ηµθπ >

1 . n

α. Στο σηµείο πρόσπτωσης συµβαίνει ανάκλαση και διάθλαση. ϐ. Η ϕωτεινή ακτίνα υφίσταται ολική ανάκλαση. γ. Η ϕωτεινή ακτίνα εξέρχεται στον αέρα παράλληλα στη διαχωριστική επιφάνεια. δ. Η γωνία διάθλασης είναι µικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης.

Α.13.Να επιλέξετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές. α. Η λειτουργία του περισκοπίου ϐασίζεται στην ολική ανάκλαση του ϕωτός. ϐ. Η ολική ανάκλαση µπορεί να συµβεί ακόµα και αν το ϕώς προσπίπτει κάθετα στη διαχωριστική επιφάνεια δύο οπτικών µέσων, αρκεί το ϕώς να προέρχεται από το οπτικά αραιότερο και να κατευθύνεται σε οπτικά πυκνότερο µέσο. γ. Η κρίσιµη γωνία είναι η µεγαλύτερη δυνατή γωνία πρόσπτωσης µιας ϕωτεινής ακτίνας που διέρχεται από οπτικά πυκνότερο µέσο προς οπτικά αραιότερο, ώστε να συµβεί ανάκλαση και διάθλαση. δ. Αν µια ϕωτεινή ακτίνα υποστεί ολική ανάκλαση, τότε µεταβάλλεται το µήκος κύµατος της χωρίς να µεταβληθεί η ταχύτητα διάδοσης, αφού παραµένει στο ίδιο οπτικό µέσο. 231


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.14.Μονοχρωµατική ϕωτεινή ακτινοβολία διέρχεται πλάγια από τον αέρα σε οπτικό µέσο. Να επιλέξετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές. α. Το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας στο υλικό µέσο είναι µεγαλύτερο από το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας στον αέρα. ϐ. Η γωνία πρόσπτωσης είναι µεγαλύτερη από τη γωνία διάθλασης. γ. Η ταχύτητα διάδοσης υ της ακτινοβολίας εντός του υλικού µέσου υπολογίζεται από τη σχέση υ = κενό.

c όπου n ο δείκτης διάθλασης και c η ταχύτητα διάδοσης στο n

δ. Η ακτινοβολία δεν είναι δυνατόν να ανακλαστεί ολικά.

Α.15. Μονοχρωµατική δέσµη ϕωτός εισέρχεται (από το κενό) σε γυάλινη πλάκα µε δείκτη διάθλασης 1,5. Για την δέσµη µέσα στο γυαλί α. το µήκος κύµατος ϑα αυξηθεί. ϐ. η συχνότητα ϑα αυξηθεί. γ. η συχνότητα ϑα µειωθεί. δ. το µήκος κύµατος ϑα µειωθεί.

Β. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής µε αιτιολόγηση Β.1. ∆ίνεται η εξίσωση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου E = 4 · 10−2 ηµ4 · 106 π(3 · 108 t − x) ενός ηλεκτροµαγνητικού κύµατος το οποίο διαδίδεται στο κενό, µε ταχύτητα c = 3 · 108 m/s . Η ακτινοβολία ανήκει : α. στο ορατό ϕάσµα. ϐ. στο υπεριώδες ϕάσµα. γ. στο υπέρυθρο ϕάσµα. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 232


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β.2.Ηλεκτροµαγνητικό κύµα διαδίδεται σε υλικό µε ταχύτητα υ = 2 · 108 m/s . Ποιο από τα παρακάτω Ϲεύγη εξισώσεων µπορεί να περιγράφει το κύµα στο S.I. ; ( E = 8 · 10−4 ηµ2π(6 · 1014 t − 6 · 106 x) α. B = 4 · 10−12 ηµ2π(6 · 1014 t − 6 · 106 x) ( E = 8 · 10−4 ηµ2π(24 · 1014 t − 12 · 106 x) ϐ. B = 4 · 10−12 ηµ2π(24 · 1014 t − 12 · 106 x) ( E = 4 · 10−4 ηµ2π(12 · 1014 t − 6 · 106 x) γ. B = 4 · 10−12 ηµ2π(12 · 1014 t − 6 · 106 x) Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.3. ∆ύο διαφορετικά ηλεκτροµαγνητικά κύµατα, συχνοτήτων f1 και f2 , ώστε f1 = 4f2 , διαδίδονται σε διαφορετικά υλικά µε ταχύτητες υ1 και υ2 = 2υ1 αντίστοιχα. Τα µήκη κύµατος των ακτινοβολιών στα υλικά που διαδίδονται ϑα ικανοποιούν τη σχέση : α. λ1 = λ2 ϐ. 4λ1 = λ2 γ. 8λ1 = λ2 Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Μονοχρωµατική ακτινοβολία µε µήκος κύµατος λ = 9 · 10 mδιαδίδεται σε υλικό, µε ταχύτητα υ = 2, 7 · 108 m/s. Αν η ίδια ακτινοβολία διαδιδόταν στο κενό (c = 3 · 108 m/s), τότε το µήκος κύµατος λ0 ϑα ήταν :

Β.4.

−7

α. 2, 7 · 108 m ϐ. 9 · 10−7 m γ. 10 · 10−7 m Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 233


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.5. Ηλεκτροµαγνητικό κύµα διαδίδεται σε υλικό µέσο µε ταχύτητα µέτρου 2 · 108 m/s. Ποια από τις παρακάτω εξισώσεις µποϱεί να περιγράφει την εξίσωση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου κατά τη διάδοση του στον οριζόντιο άξονα ; α. E = Emax ηµ2π(1014 t −

106 x) 3

ϐ. E = Emax ηµπ(2 · 1014 t − 5 · 105 x) γ. E = Emax ηµ2π(·1014 t − 5 · 105 x)

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.6. Η εξίσωση η οποία περιγράφει την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου κατά τη διάδοση του στον οριζόντιο άξονα ενός υλικού µέσου είναι : E = 5 · 10−2 ηµ2π(1014 t − 5 · 105 x) (S.I.) . Το πλάτος της έντασης του διαδιδόµενου µαγνητικού πεδίου ισούται µε : α. Bmax = 10−10 T ϐ. Bmax =

2 −10 10 T 3

γ. Bmax = 1, 5 · 10−10 T

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.7. Μονοχρωµατική ακτίνα ϕωτός προσπίπτει σε ανακλαστική επιφάνεια, έτσι ώστε η προσπίπτουσα ακτίνα να είναι κάθετη στην ανακλώµενη. Η γωνία ανάκλασης ισούται µε : α. 30o ϐ. 45o γ. 60o

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 234


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β.8. Μονοχρωµατική ακτίνα ϕωτός διαδίδεται σε οπτικό µέσο (Α) και διέρχεται σε οπτικό µέσο (Β). Το πηλίκο του πλάτους της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου προς το πλάτος της έντασης του µαγνητικού πεδίου όταν το ϕως διαδίδεται στο µέσο (Α) είναι µεγαλύτερο από το αντίστοιχο όταν διαδίδεται στο µέσο (Β). Ο δείκτης διαθλάσεως του µέσου (Α) σε σχέση µε τον αντίστοιχο του µέσου (Β) είναι : α. µεγαλύτερος. ϐ. µικρότερος. γ. ίσος.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.9. Μία ακτίνα µονοχρωµατικού ϕωτός περνά διαδοχικά από 3 στρώµατα διαφορετικών οπτικών µέσων όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Ο δείκτης διάθλασης του µέσου 3 είναι : ΑΡΧΗ 3ΗΣ ΣΕΛΙ∆ΑΣ –

60ο

∆΄ ΕΣΠΕΡΙΝΩΝ

n1 = 1 n2

30ο

45ο

n3

Ο√δείκτης διάθλασης του μέσου 3 είναι 6 6 α. n3 = β. n 3 = γ. n 3 =2 2 α. n 3 = 2 2 √ επιλέξετε την σωστή απάντηση (μονάδες 2). Να ϐ. n3 = 2 Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας (μονάδες 6). Μονάδες 8 γ. n3 = 2

Β2. Ένα απλό αρμονικό κύμα διαδίδεται μέσα σε ένα Την χρονική στιγμή t δύο σημεία Α και Β που βρίσκονται 235 3λ 5λ και x Β = αντίστοιχα, έχουν διαφορά στις θέσεις x Α = 8 8 φάσης

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε επιλογή σας. γραμμικό ελαστικό μέσο με μήκοςτηνκύματος λ.

α. ∆φ = 0

β. ∆φ =

π

2

γ. ∆φ =

π

Να επιλέξετε την σωστή απάντηση (μονάδες 2). Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας (μονάδες 6).


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.10.Μονοχρωµατική ακτίνα ϕωτός που διαδίδεται σε οπτικό µέσο (Α) προσπίπτει στη διαχωριστική επιφάνεια µε οπτικό µέσο (Β). Η προσπίπτουσα µε την ανακλώµενη ακτίνα σχηµατίζουν γωνία 120o ενώ η διαθλώµενη εκτρέπεται κατά 30o σε σχέση µε την προσπίπτουσα. Αν nb > na τότε ο λόγος √

na ισούται µε : nb

2 2 √ 3 ϐ. 3

α.

γ.

1 2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.11. Μονοχρωµατική ακτίνα ϕωτός προσπίπτει κάθετα σε διαϕανές πλακίδιο πάχους d και δείκτη διαθλάσεως na . Εξερχόµενη από το πλακίδιο προσπίπτει οµοίως κάθετα σε δεύτερο διαφανές πλακίδιο πάχους 2d και δείκτη διαθλάσεως nb . Ο χρόνος διάδοσης της ακτίνας στο πρώτο πλακίδιο είναι ίσος µε τον αντίστοιχο στο δεύτερο πλακίδιο. Ο λόγος α.

na ισούται µε : nb

1 4

ϐ. 4 γ. 2

Β.12. ∆ύο παράλληλα πλακίδια έχουν δείκτες διαθλάσεως na και nb αντίστοιχα. Μονοχρωµατική ακτίνα ϕωτός προσπίπτει στην επιφάνεια του ενός και ακολουθεί την πορεία του σχήµατος. Για τις γωνίες θa και θb ισχύει : α. θa = θd ϐ. θa < θd γ. θa > θd 236


Να δηθαημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ. Δίκμκηαη:

.

Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

. Δύμ πανάιιεια πιαθίδηα έπμοκ δείθηεξ δηαζιάζεςξ

θαη

ακηίζημηπα.

Μμκμπνςμαηηθή αθηίκα θςηόξ πνμζπίπηεη ζηεκ επηθάκεηα ημο εκόξ θαη αθμιμοζεί ηεκ πμνεία ημο ζπήμαημξ. Γηα ηηξ γςκίεξ

θαη

α)

.

β)

.

γ)

.

ηζπύεη:

Να δηθαημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ.

Β.13. Μονοχρωµατική ακτίνα ϕωτός προσπίπτει σε πρίσµα του οποίου η τοµή είναι ορθογώνιο ισοσκελές τρίγωνο. Το ϕως προ. Μμκμπνςμαηηθή αθηίκα θςηόξ πνμζπίπηεη θάζεηα ζε δηαθακέξ πιαθίδημ πάπμοξ θαη σπίπτει κάθετα στη µία κάθετη πλευρά του πρίσµατος και διαδείθηε δηαζιάζεςξ . Γλενπόμεκε από ημέξοδό πιαθίδημτης πνμζπίπηεη θάζεηα ζε δεύηενμ ϑλάται κατά την απόμμμίςξ το πρίσµα. Η κρίσιµη γωνία της δηαθακέξ πιαθίδημ πάπμοξ θαη δείθηε . Ο πνόκμξ δηάδμζεξ ηεξισούται αθηίκαξ ζημ µε 40o . Η εξερακτινοβολίας για δηαζιάζεςξ το συγκεκριµένο πρίσµα χόµενη ακτίνα σε σχέση µε την προσπίπτουσα σχηµατίζει γωνία : πνώημ πιαθίδημ είκαη ίζμξ με ημκ ακηίζημηπμ ζημ δεύηενμ πιαθίδημ. Ο ιόγμξ o

α) . α. 90 β) . http://perifysikhs.wordpress.com Μηπάιεξ Γ. Καναδεμεηνίμο, ϐ. 180oΦοζηθόξ Msc

γ)

ηζμύηαη με:

.

Σειίδα 5

γ. 90o

Β.14.Μονοχρωµατική ϕωτεινή ακτίνα µεταβαίνει από τον αέρα σε οπτικό µέσο µε δείκτη διαθλάσεως n > 1. Η διαθλώµενη ακτίνα :

α. εκτρέπεται σε σχέση µε την προσπίπτουσα ώστε η γωνία διάθλασης να είναι µεγαλύτερη της γωνίας πρόσπτωσης. ϐ. έχει µήκος κύµατος µικρότερο από το αντίστοιχο της προσπίπτουσας. γ. ενδέχεται να είναι παράλληλη στη διαχωριστική επιφάνεια των δύο οπτικών µέσων. 237


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.15. ΄Ενας µαθητής παρατηρεί ένα ψάρι που κολυµπά στη γυάλα του. Ο µαθητής ϐλέπει το ψάρι : α. σε µικρότερο ϐάθος από αυτό στο οποίο ϐρίσκεται το ψάρι. ϐ. στη ϑέση που πράγµατι ϐρίσκεται το ψάρι. γ. σε µεγαλύτερο ϐάθος από αυτό στο οποίο ϐρίσκεται το ψάρι.

Β.16. Μονοχρωµατική ϕωτεινή ακτίνα που διαδίδεται στον αέρα προσπίπτει πλάγια στην ήρεµη επιφάνεια µιας λίµνης. α. Η ϕωτεινή ακτίνα είναι δυνατό να υποστεί ολική ανάκλαση. ϐ. Το µήκος κύµατος της διαθλώµενης ακτίνας είναι µεγαλύτερο από το αντίστοιχο της προσπίπτουσας.

ΑΡΧΗ 4ΗΣ ΣΕΛΙ∆ΑΣ

γ. Η γωνία διάθλασης ϑα είναι µικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση (μονάδες 2). Να δικαιολογήσετε επιλογή (μονάδες Β.17. Μονοχρωµατική την ακτίνα ϕωτός σας διαδίδεται στο 6). νερό και o Μονάδες 8 προσπίπτει στην ελεύθερη επιφάνειά του µε γωνία 30 . Η ακτίνα στον αέρα,ακτίνα όπως ϕαίνεται σχήµα. Αν υ είναι Β3.εξέρχεται Μονοχρωματική φωτός στο διαδίδεται στο νερόη και ταχύτητα του ϕωτός νερό καιεπιφάνειά c στον αέρα, τότε : 30 ο . Η προσπίπτει στην στο ελεύθερη του μεισχύει γωνία ακτίνα εξέρχεται στον αέρα, όπως φαίνεται στο σχήμα

α. υ <

c 2

c Αν ϐ. υ υ = είναι η ταχύτητα του φωτός στο νερό και c στον αέρα, 2τότε ισχύει c 2

c c , β. υ = , 2 2 ο 238 ∆ίνεται ότι ημ30 = 1/2 γ. υ >

α. υ <

γ. υ >

c 2

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση (μονάδες 2). Να δικαιολογήσετε την επιλογή σας (μονάδες 7). Μονάδες 9 ΘΕΜΑ Γ


στο κύκλωμα L 1 C και Ι max,2 το μέγιστο ρεύμα στο κύκλωμα L 2 C, τότε: Ι max,1

α. = 2 ,Γ Λυκείου Πρόχειρες Σηµειώσεις Ι max,2

β.

Ι max,1

Ι max,2

= 3,

γ.

Ι max,1

Ι max,2

= 2.

Β.18. Μονοχρωµατική ακτίνα ϕωτός πέφτει στη διαχωριστική ∆ίνεται L 1 = L 2 και ότι ο διακόπτης μεταφέρεται από τη επιφάνεια υγρού και αέρα, όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Η γωνία μία θέση στην άλλη ακαριαία και χωρίς να δημιουργηθεί πρόσπτωσης είναι π, η γωνία διάθλασης είναι δ, το µήκος στην σπινθήρας προέκταση της προσπίπτουσας ακτίνας µέχρι το κατακόρυφο τοΝα επιλέξετε τη σωστή (μονάδες ίχωµα του δοχείου είναι απάντηση. (ΟΑ) και το µήκος στη 2) διεύθυνση της διαθλώµενης ακτίναςτην µέχρι το τοίχωµα δοχείου6) είναι (ΟΒ). Να δικαιολογήσετε επιλογή σας. του (μονάδες Αν η γωνία πρόσπτωσης π αυξάνεται, τότε ο λόγος

(OA) : Μονάδες 8 (OB)

Β2. Μονοχρωματική ακτίνα φωτός πέφτει στη διαχωριστική α. αυξάνεται. επιφάνεια υγρού και αέρα, όπως φαίνεται στο σχήμα. π

O

Γ

δ A B ϐ. µειώνεται.

ΤΕΛΟΣ 3ΗΣ ΑΠΟ 7 ΣΕΛΙ∆ΕΣ γ. παραµένει σταθερός.

Β.19. Πρίσµα µε δείκτη διάθλασης n1 ϐρίσκεται µέσα σε υλικό µε δείκτη διάθλασης n2 . Ακτίνα µονοχρωµατικού ϕωτός ακολουθεί την πορεία που ϕαίνεται στο σχήµα. Αν λ1 και λ2 είναι τα µήκη κύµατος στο πρίσµα και στο υλικό αντίστοιχα, ισχύει ότι : α. λ1 = λ2 ϐ. λ1 > λ2 γ. λ1 < λ2 239


ς 2). ιολογήσετε την απάντησή σας (μονάδες 7). Μονάδες 9 Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

με δείκτη διάθλασης κεται μέσα σε υλικό με διάθλασης n 2 . Ακτίνα ωματικού φωτός θεί την πορεία που ι στο σχήμα.

και λ 2 είναι τα μήκη στο πρίσμα και στο ντίστοιχα,Γ.Ασκήσεις ισχύει ότι: β. λ 1 >λ 2 1 =λ 2

n2

n1

γ. λ 1 <λ 2

Γ.1.Μονοχρωµατική ακτινοβολία διαδίδεται κατά τη διεύθυνση γράμμα αντιστοιχεί στηέντασης σωστή του σχέση του άξοναπου ξ και η εξίσωση της ηλεκτρικού πεδίου είναι :

έξετε το ς 2). ιολογήσετε την απάντησή σας (μονάδες 6). E = 5 · 10−2 ηµπ(1015 t − 4 · 106 x) (S.I.) Μονάδες 8

κός κινείται πάνω σε δύο όμοιους κυλίνδρους, Να αποδείξετε ότι η ακτινοβολία δεν διαδίδεται στο κενό. αίνεται στο α. σχήμα, χωρίς να ολισθαίνει. ϐ. Να εξετάσετε αν η ακτινοβολία ανήκει στο ορατό ϕάσµα. γ. Να γράψετε την εξίσωση της έντασης του µαγνητικού πεδίου. δ. Να υπολογίσετε το µέτρο της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου τις χρονικές στιγµές που η ένταση του µαγνητικού πεδίου έχει µέτρο 10−10 m . ∆ίνεται η ταχύτητα διάδοσης στο κενό c = 3 · 108 m/s .

νδροι κυλίονται στο οριζόντιο δάπεδο χωρίς να νουν. Αν Γ.2. η δοκός μετατοπιστεί 10 cm ο πεδίου µονοχρωΗ εξίσωση της έντασηςκατά του ηλεκτρικού λινδρος θα μετατοπιστεί κατά µατικής ακτινοβολίας κατά τη διάδοση της στον οριζόντιο άξονα είναι : α. 10 cm β. 5 cm γ. 20 cm −3

14

6

E = 6αντιστοιχεί · 10 ηµ2π(6 · 10 2 · 10 x) (S.I.) έξετε το γράμμα που στηt − σωστή τιμή ς 2). ιολογήσετε την επιλογή σας (μονάδες 6). α. Να εξετάσετε αν η ακτινοβολία είναι ορατή και να υπολογίστε την ταχύτητα διΜονάδες 8 άδοσης του κύµατος. Να ϑεωρήσετε γνωστό ότι το ορατό ϕάσµα αφορά την ηλεΤΕΛΟΣ 240

κτροµαγνητική ακτινοβολία της οποίας το µήκος κύµατος στο κενό κυµαίνεται περίπου από τα έως τα 700nm. 4ΗΣ ΑΠΟ 7 400nm ΣΕΛΙ∆ΕΣ


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ϐ. Να γράψετε την εξίσωση της έντασης του διαδιδόµενου µαγνητικού πεδίου. γ. Να υπολογίσετε το µέτρο της έντασης του µαγνητικού πεδίου τις√χρονικές στιγµές V . που το µέτρο της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου ισούται µε 3 3 · 10−3 m ∆ίνεται η ταχύτητα διάδοσης στο κενό c = 3 · 108 m/s .

Γ.3. Ηλεκτροµαγνητικό κύµα διαδίδεται σε υλικό µέσο. Η εξίσωση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου κατά τη διάδοση του κύµατος στον οριζόντιο άξονα είναι :

E = 5 · 10−5 ηµ(4π · 1010 t − kx) (S.I.) , όπου k ϑετική σταθερά (σε m−1 ). Σε χρονικό διάστηµα 10−10 s το κύµα διαδίδεται κατά 5mm. α. Να υπολογίσετε την ταχύτητα διάδοσης του κύµατος. ϐ. Να υπολογίστε τη σταθερά k . γ. Να γράψετε την εξίσωση της έντασης του διαδιδόµενου µαγνητικού πεδίου στην οριζόντια διεύθυνση, εντός του υλικού µέσου. δ. Να γράψετε την εξίσωση της έντασης του διαδιδόµενου ηλεκτρικού πεδίου στην οριζόντια διεύθυνση, όταν το κύµα διαδίδεται στον αέρα, αν γνωρίζουµε ότι σε αυτή την περίπτωση το πλάτος της έντασης του διαδιδόµενου µαγνητικού πεδίου 0 = 0, 8 · 10−12 T ισούται µε Bmax ∆ίνεται η ταχύτητα διάδοσης στο κενό c = 3 · 108 m/s .

Γ.4. ΄Ενας ϱαδιοφωνικός σταθµός εκπέµπει ϱαδιοκύµατα που έχουν µήκος κύµατος 3m, ενώ το πλάτος της έντασης του διαδιδόµενου µαγνητικού πεδίου είναι Bmax = 0, 5 · 10−10 T . α. Να υπολογίσετε τη συχνότητα των εκπεµπόµενων κυµάτων. ϐ. Να υπολογίσετε το πλάτος της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου. γ. Να γράψετε την εξίσωση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου του κύµατος κατά τη διάδοση του στην οριζόντια διεύθυνση. δ. Για τη λήψη του ϱαδιοφωνικού σήµατος, ένας δέκτης χρησιµοποιεί κύκλωµα ΛΣ στο οποίο ο συντελεστής αυτεπαγωγής έχει τιµή L = 1µH . Να υπολογίσετε τη χωρητικότητα C του πυκνωτή, έτσι ώστε ο δέκτης να συντονιστεί µε το εκπεµπόµενα ϱαδιοκύµατα. ∆ίνεται η ταχύτητα διάδοσης στο κενό c = 3 · 108 m/s και π 2 ' 10 241


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Γ.5. Μονοχρωµατική ακτινοβολία διαδίδεται εντός υλικού µέσου κατά τη διεύθυνση του οριζόντιου άξονα και η εξίσωση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου του είναι :

E = 4 · 10−2 ηµ

2π · 107 (2 · 108 t − x) (S.I.) 3

α. Να υπολογίστε την ταχύτητα διάδοσης του κύµατος. ϐ. Να γράψετε την εξίσωση της έντασης του διαδιδόµενου µαγνητικού πεδίου. γ. Να ϐρείτε το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας στο κενό και να εξετάσετε αν η ακτινοβολία είναι ορατή. Να ϑεωρήσετε γνωστό ότι το ορατό ϕάσµα αφορά την ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία της οποίας το µήκος κύµατος στο κενό κυµαίνεται περίπου από τα 400nm έως τα 700nm. δ. Αν το κύµα διέλθει από το υλικό µέσο στον αέρα, τότε το πλάτος της έντασης του µαγνητικού πεδίου αυξάνεται κατά 2%. Να γράψετε την εξίσωση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου όταν το κύµα διαδίδεται στο κενό. ∆ίνεται η ταχύτητα διάδοσης στο κενό c = 3 · 108 m/s.

Γ.6. Μονοχρωµατική ϕωτεινή ακτίνα διαδίδεται σε οπτικό µέσο (1) δείκτη διαθλάσεως n1 . Η ακτίνα συναντά τη διαχωριστική επιφάνεια του µέσου µε οπτικό µέσο (2) δείκτη διαθλάσεως n2 (n1 > n2 ) υπό γωνία πρόσπτωσης 30o . Μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται και η υπόλοιπη διαθλάται, έτσι ώστε η ανακλώµενη ακτίνα να σχηµατίζει µε τη διαθλώµενη γωνία φ = 105o . α. Να σχεδιάσετε την προσπίπτουσα, την ανακλώµενη και τη διαθλώµενη ακτίνα στο σηµείο πρόσπτωσης. ϐ. Να υπολογίσετε τη γωνία κατά την οποία εκτρέπεται η διαθλώµενη ακτίνα σε σχέση µε την προσπίπτουσα ακτίνα. γ. Να υπολογίσετε το λόγο των δεικτών διαθλάσεως

n1 . n2

δ. Να υπολογίσετε το λόγο του µήκους κύµατος της ακτινοβολίας στο µέσο (1) προς το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας στο µέσο (2),

242

λ1 . λ2


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Γ.7. Μονοχρωµατική ακτινοβολία συχνότητας f = 12 · 1014 Hz διαδίδεται σε οπτικό µέσο (1) µε δείκτη διαθλάσεως n1 . Η ακτίνα συναντά τη διαχωριστική επιφάνεια του µέσου µε οπτικό µέσο (2) που έχει δείκτη διαθλάσεως n2 . Το µήκος κύµατος της ακτινοϐολίας στο µέσο (2) είναι κατά 20 % µικρότερο από το αντίστοιχο στο µέσο (1). α. Να υπολογίσετε το λόγο των δεικτών διαθλάσεως

n1 . n2

ϐ. Να υπολογίσετε το ποσοστό µεταβολής της ταχύτητας διάδοσης της ακτινοβολίας κατά την αλλαγή µέσου διάδοσης. γ. Αν η ακτινοβολία διαδίδεται αντίστροφα, δηλαδή από το µέσο (2) προς το µέσο (1) και συναντά την διαχωριστική επιφάνεια των δύο µέσων υπό γωνία πρόσπτωσης θ1 = 60o , να υπολογίσετε τη γωνία κατά την οποία εκτρέπεται. δ. Να εξετάσετε αν η ακτινοβολία είναι ορατή, αν ϑεωρήσετε γνωστό ότι το ορατό ϕάσµα αφορά την ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία της οποίας το µήκος κύµατος στο κενό κυµαίνεται περίπου από τα 400nm έως τα 700nm. ∆ίνεται η ταχύτητα διάδοσης του ϕωτός στον αέρα c = 3 · 108 m/s και ηµ600 = 0, 87 .

Γ.8. Μονοχρωµατική ακτίνα συχνότητας f = 6·1014 Hz προσπίπτει στη διαχωριστική επιφάνεια µεταξύ √ του αέρα και ενός οπτικού µέσου µε δείκτη διαθλάσεως n = 3 , χωρίς να γνωρίζουµε από ποιο µέσο προέρχεται. Η διαθλώµενη ακτίνα εκτρέπεται σε σχέση µε τη διεύθυνση της προσπίπτουσας κατά γωνία θ = 30o , ενώ η γωνία διάθλασης είναι µικρότερη της γωνίας πρόσπτωσης. α. Να εξετάσετε αν η ακτινοβολία διέρχεται από τον αέρα στο µέσο ή αντίστροφα και να σχεδιάσετε την πορεία των ακτίνων. ϐ. Να υπολογίσετε τη γωνία πρόσπτωσης και τη γωνία διάθλασης. γ. Να υπολογίσετε το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας όταν διαδίδεται στον αέρα και όταν διαδίδεται στο οπτικό µέσο. ∆ίνεται η ταχύτητα διάδοσης του ϕωτός στον αέρα c = 3 · 108 m/s και ηµ(A + B) = ηµAσυνB + ηµBσυνA. 243


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Γ.9.Μονοχρωµατική ϕωτεινή ακτίνα διαδίδεται στο κενό µε µήκος κύµατος λ0 και προσπίπτει στη √λεία επιφάνεια ενός υαλότουϐλου, µε δείκτη διαθλάσεως n = 2 . Η ανακλώµενη δέσµη είναι κάθετη µε την προσπίπτουσα. Να υπολογίσετε : α. την ταχύτητα διάδοσης της ϕωτεινής ακτίνας εντός του υαλότουβλου. ϐ. τη γωνία διάθλασης. γ. την επί τοις εκατό µεταβολή του µήκους κύµατος της ακτινοβολίας κατά την είσοδο της στο υαλότουβλο. δ. την επί τοις εκατό µεταβολή της µέγιστης έντασης του διαδιδόµενου ηλεκτρικού πεδίου κατά την είσοδο της ακτινοβολίας στο υαλότουβλο, αν το πλάτος της έντασης του µαγνητικού πεδίου µειώθηκε κατά 5% σε σχέση µε το κενό. 8 ∆ίνεται η ταχύτητα √ διάδοσης του ϕωτός στον αέρα c = 3 · 10 m/s. Για τις πράξεις να ϑεωρήσετε ότι 2 ' 1, 44 .

Γ.10. Μονοχρωµατική ϕωτεινή ακτίνα διαδίδεται στο κενό όπου έχει µήκος κύµατος λ0 = 700nm. Η ακτίνα προσπίπτει κάθετα στην έδρα ενός πρίσµατος όπως ϕαίνεται στο σχήµα. Εντός του πρίσµατος, το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας ισούται µε 500nm. Α.

α. τη συχνότητα της ακτινοβολίας. ϐ. το δείκτη διαθλάσεως του πρίσµατος. γ. την ταχύτητα διάδοσης της ακτινοβολίας εντός του πρίσµατος.

Β. Να σχεδιάσετε την πορεία της ϕωτεινής ακτίνας και να υπολογίσετε την γωνία κατά την οποία εκτρέπεται τελικά η ϕωτεινή ακτίνα σε σχέση µε την ακτίνα που εισέρχεται στο πρίσµα. ∆ίνεται η ταχύτητα√διάδοσης του ϕωτός στον αέρα c = 3 · 108 m/s. Για τις πράξεις να ϑεωρήσετε ότι 2 ' 1, 44 .

Γ.11.Μονοχρωµατική ϕωτεινή ακτινοβολία διαδίδεται σε γυάλινο σώµα, όπου το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας ισούται µε λ = 500nm . Η ακτινοβολία προσπίπτει στη διαχωριστική επιφάνεια του σώµατος µε τον αέρα µε γωνία πρόσπτωσης θπ = 30o και ένα µέρος της διαθλάται. Η διαθλώµενη ακτινοβολία διαδίδεται µε ταχύτητα κατά 40% µεγαλύτερη από την αντίστοιχη εντός του γυάλινου σώµατος. Να υπολογίσετε : α. το δείκτη διαθλάσεως του γυάλινου σώµατος. 244


Δίκεηαη ε ηαπύηεηα δηάδμζεξ ημο θςηόξ ζημκ αένα

.

Γηα ηηξ πνάλεηξ κα ζεςνήζεηε όηη . Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Μμκμπνςμαηηθή θςηεηκή αθηίκα δηαδίδεηαη ζημ θεκό όπμο έπεη μήθμξ θύμαημξ

.H

αθηίκα πνμζπίπηεη θάζεηα ζηεκ έδνα εκόξ πνίζμαημξ όπςξ θαίκεηαη ζημ ζπήμα. Γκηόξ ημο πνίζμαημξ, ημ μήθμξ θύμαημξ ηεξ αθηηκμβμιίαξ ηζμύηαη με

.

Α) Να οπμιμγίζεηε: i) ηε ζοπκόηεηα ηεξ αθηηκμβμιίαξ. ii) ημ δείθηε δηαζιάζεςξ ημο πνίζμαημξ.

ϐ. το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας όταν αυτή διαδίδεται στον αέρα.

iii) ηεκ ηαπύηεηα δηάδμζεξ ηεξ

αθηηκμβμιίαξγ. εκηόξ τη ημο γωνία διάθλασης. πνίζμαημξ.

δ. την τιµή που ϑα έπρεπε να έχει η γωνία πρόσπτωσης, ώστε η ακτίνα να διαθλαστεί

Β) Να ζπεδηάζεηεεφαπτόµενα ηεκ πμνεία ηεξτης θςηεηκήξ αθηίκαξ θαη κα οπμιμγίζεηε ηεκ γςκία θαηά ηεκ μπμία διαχωριστικής επιφάνειας. εθηνέπεηαη ηειηθά ε θςηεηκή αθηίκα ζε ζπέζε με ηεκ αθηίκα πμο εηζένπεηαη ζημ πνίζμα.

8 ∆ίνεται η ταχύτητα √ διάδοσης του ϕωτός στον αέρα c = 3 · 10 m/s. Για τις πράξεις ϑεωρήσετε ότιημο θςηόξ 2 ' 1,ζημκ 44 .αένα Δίκεηαη ε να ηαπύηεηα δηάδμζεξ .

Γηα ηηξ πνάλεηξ κα ζεςνήζεηε όηη . Γ.12. Μονοχρωµατική ϕωτεινή

ακτινοβολία διαδίδεται στον αέρα και συναντά υπό γωνία πρόσπτωσης 45o την έδρα ΚΛ ενός γυάλι√ νου πλακιδίου πάχους d = 27 6mm √ . Εντός του πλακιδίου το

ϕως διαδίδεται µε ταχύτητα υ =

http://perifysikhs.wordpress.com

Μηπάιεξ Γ. Καναδεμεηνίμο, Φοζηθόξ Msc

3 2 · 108 m/s . Να υπολογίσετε : 2 Σειίδα 12

α. το λόγο του µήκους κύµατος της ακτινοβολίας όταν διαδίδεται στον αέρα, προς το αντίστοιχο µήκος κύµατος όταν διαδίδεται στο πλακίδιο. ϐ. τη γωνία διαθλάσεως θb κατά την είσοδο της ακτινοβολίας από τον αέρα στο πλακίδιο. γ. το απαιτούµενο χρονικό διάστηµα για να διασχίσει η ακτινοβολία το πλακίδιο. 245


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου Μμκμπνςμαηηθή θςηεηκή αθηηκμβμιία δηαδίδεηαη ζημκ αένα θαη ζοκακηά οπό γςκία πνόζπηςζεξ

ηεκ

έδνα ΚΛ εκόξ γοάιηκμο πιαθηδίμο πάπμοξ

.

Γκηόξ ημο πιαθηδίμο ημ θώξ δηαδίδεηαη με ηαπύηεηα . Να

δ. τη γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ της ακτίνας που εισέρχεται στο πλακίδιο και οπμιμγίζεηε: της θύμαημξ ακτίναςηεξ που εξέρχεταιόηακ από αυτό. ζημκ αένα, πνμξ ημ ακηίζημηπμ α) ημ ιόγμ ημο μήθμοξ αθηηκμβμιίαξ δηαδίδεηαη μήθμξ θύμαημξ όηακ δηαδίδεηαη ζημ πιαθίδημ.

∆ίνεται η ταχύτητα διάδοσης του ϕωτός στον αέρα c = 3 · 108 m/s .

β) ηε γςκία δηαζιάζεςξ

θαηά ηεκ είζμδμ ηεξ αθηηκμβμιίαξ από ημκ αένα ζημ πιαθίδημ.

Γ.13.∆ύο πρίσµατα µε ίσες ορθογώνιες τριγωνικές τοµές εφάπτονται όπως σχήµα, σχηµατίζοντας ένα «διπλό» πρίσµα γ) ημ απαηημύμεκμ πνμκηθόϕαίνεται δηάζηεμα γηα καστο δηαζπίζεη ε αθηηκμβμιία ημ πιαθίδημ. µε τοµή ισόπλευρου τριγώνου. Το πρίσµα (1) έχει δείκτη διαδ) ηε γςκία πμο ζπεμαηίδεηαη μεηαλύ ηεξ αθηίκαξ πμο εηζένπεηαη ζημ πιαθίδημ θαη ηεξ αθηίκαξ ϑλάσεως n1 = 3 ενώ το πρίσµα (2) έχει δείκτη διαθλάσεως n2 πμο ελένπεηαη από αοηό. . Βυθίζουµε το διπλό πρίσµα σε δοχείο το οποίο περιέχει υγρό µε δείκτη διαθλάσεως n = n1 . Μονοχρωµατική ακτινοβολία συΔίκεηαη ε ηαπύηεηα δηάδμζεξ ημο θςηόξ ζημκ14αένα . χνότητας f = 6 · 10 Hz που διαδίδεται στο υγρό, προσπίπτει κάθετα στην έδρα ΑΒ του πρίσµατος (1) και ακολουθεί την πορεία που ϕαίνεται στο σχήµα. Α. Να υπολογίσετε το δείκτη διαθλάσεως n2 . Β. Αλλάζουµε το πρίσµα µε δείκτη διαθλάσεως n2 µε άλλο πρίσµα που έχει δείκτη διαθλάσεως n3 (n3 < n) έτσι ώστε η ακτινοβολία να διέρχεται σε αυτό και συναντώντας την έδρα ΜΓ να διαθλάται στο υγρό µε γωνία διαθλάσεως θb0 = 45o . α. Να υπολογίσετε το δείκτη διαθλάσεως n3 . ϐ. Να υπολογίσετε το ποσοστό µεταβολής του µήκους κύµατος της ακτινοβολίας κατά τη διέλευση √ της από το πρίσµα (1) στο πρίσµα (3) (Για τις πράξεις να ϑεωρήσετε ότι 3 '= 1, 725 ). http://perifysikhs.wordpress.com Μηπάιεξ Γ. Καναδεμεηνίμο, Φοζηθόξ Msc

Σειίδα 13 γ. Να εξετάσετε αν και σε ποιο οπτικό µέσο η ακτινοβολία είναι ορατή αν ϑεωρήσετε γνωστό ότι το ορατό ϕάσµα αφορά την ηλεκτροµαγνητική ακτι-

246


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου Δύμ πνίζμαηα με ίζεξ μνζμγώκηεξ ηνηγςκηθέξ ημμέξ εθάπημκηαη όπςξ θαίκεηαη ζημ ζπήμα, ζπεμαηίδμκηαξ έκα «δηπιό» πνίζμα με ημμή ηζόπιεονμο ηνηγώκμο. Τμ πνίζμα (1) έπεη δείθηε δηαζιάζεςξ

εκώ ημ

πνίζμα (2) έπεη δείθηε δηαζιάζεςξ

. Βοζίδμομε ημ

δηπιό πνίζμα ζε δμπείμ ημ μπμίμ πενηέπεη ογνό με δείθηε δηαζιάζεςξ

.

Μμκμπνςμαηηθή αθηηκμβμιία ζοπκόηεηαξ πμο νοβολία της οποίας το µήκος κύµατος στο κενό κυµαίνεται περίπου από τα

400nm έως τα δηαδίδεηαη ζημ ογνό, πνμζπίπηεη

700nm.

θάζεηα ζηεκ έδνα ΑΒ ημο

∆ίνονται η ταχύτητα διάδοσης του ϕωτός στον αέρα c = 3·108 m/s και η τριγωνοµετρική

πνίζμαημξ (1) θαη αθμιμοζεί ηεκ

φ2 x ηµζπήμα. x= πμνεία πμο ιδιότητα θαίκεηαη ζημ 1 + φx 2

Α) Να οπμιμγίζεηε ημ δείθηε δηαζιάζεςξ

.

Β) Αιιάδμομε ημ πνίζμα με δείθηε δηαζιάζεςξ δηαζιάζεςξ

με άιιμ πνίζμα πμο έπεη δείθηε

έηζη ώζηε ε αθηηκμβμιία κα δηένπεηαη ζε αοηό θαη ζοκακηώκηαξ ηεκ

έδνα ΜΓ κα δηαζιάηαη ζημ ογνό με γςκία δηαζιάζεςξ i) Να οπμιμγίζεηε ημ δείθηε δηαζιάζεςξ

.

.

ii) Να οπμιμγίζεηε ημ πμζμζηό μεηαβμιήξ ημο μήθμοξ θύμαημξ ηεξ αθηηκμβμιίαξ θαηά ηε δηέιεοζε ηεξ από ημ πνίζμα (1) ζημ πνίζμα (3) (Γηα ηηξ πνάλεηξ κα ζεςνήζεηε όηη

).

iii) Να ελεηάζεηε ακ θαη ζε πμημ μπηηθό μέζμ ε αθηηκμβμιία είκαη μναηή ακ ζεςνήζεηε γκςζηό όηη ημ μναηό θάζμα αθμνά ηεκ ειεθηνμμαγκεηηθή αθηηκμβμιία ηεξ μπμίαξ ημ μήθμξ θύμαημξ ζημ θεκό θομαίκεηαη πενίπμο από ηα 400nm έςξ ηα 700nm. Δίκμκηαη ε ηαπύηεηα δηάδμζεξ ημο θςηόξ ζημκ αένα

ηδηόηεηα

θαη ε ηνηγςκμμεηνηθή

.

http://perifysikhs.wordpress.com

Μηπάιεξ Γ. Καναδεμεηνίμο, Φοζηθόξ Msc

Σειίδα 14

247


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Μηχανική Στερεού Σώµατος 7ο Σετ Ασκήσεων - Μάρτης 2013 Α. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α.1. Αν στερεό σώµα εκτελεί µόνο µεταφορική κίνηση τότε : (α) Η κίνηση του είναι οπωσδήποτε ευθύγραµµη. (ϐ) ΄Ολα τα σηµεία του στερεού έχουν ίδια ταχύτητα. (γ) Το σώµα αλλάζει προσανατολισµό. (δ) Το τµήµα που ενώνει 2 τυχαία σηµεία του στερεού περιστρέφεται.

Α.2. Σώµα εκτελεί στροφική κίνηση γύρω από σταθερό άξονα πεϱιστροφής που διέρχεται από το σώµα. Η γωνιακή του ταχύτητα : (α) Είναι διανυσµατικό µέγεθος που σχηµατίζει τυχαία γωνία ϕ µε τον άξονα περιστροφής. (ϐ) ΄Εχει µονάδα µέτρησης το 1rad/sec2 . (γ) ΄Εχει µέτρο που ισούται µε τον ϱυθµό µεταβολής της γωνίας που διαγράφει µια τυχαία ακτίνα του στερεού. (δ) Αν η κίνηση είναι οµαλή στροφική τότε έχει µέτρο που συνεχώς αυξάνεται.

Α.2. ΄Ενα στερεό εκτελεί µόνο στροφική κίνηση γύρω από σταθεϱό άξονα περιστροφής που διέρχεται από το σώµα : (α) ΄Οσο αποµακρυνόµαστε από τον άξονα περιστροφής το µέτρο της τ��χύτητας των διαφόρων σηµείων µειώνεται. (ϐ) ΄Ολα τα σηµεία του στερεού εκτελούν κυκλική κίνηση. (γ) Υπάρχουν σηµεία του στερεού που είναι διαρκώς ακίνητα. (δ) ΄Ολα τα σηµεία του στερεού έχουν την ίδια ταχύτητα. 248


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Α.3. ΄Ενας τροχός εκτελεί στροφική κίνηση γύρω από άξονα που διέρχεται από το κέντρο του , ξεκινώντας από την ηρεµία και επιταχύνεται µε γωνιακή επιτάχυνση που συνεχώς αυξάνεται : (α) η γραµµική ταχύτητα του στερεού αυξάνεται γραµµικά µε τον χρόνο. (ϐ) Η γωνιακή ταχύτητα ω του τροχού δίνεται από την σχέση ω = αγων · t. (γ) Η στιγµιαία γραµµική ταχύτητα ενός σηµείου της περιφέρειας του τροχού συνδέεται µε την στιγµιαία γωνιακή του ταχύτητα ω µε την σχέση υ = ω · R . (δ) Η γωνία που διαγράφει ο τροχός υπολογίζεται από την σχέση θ =

1 αγων t2 . 2

Α.4. Η ϱοπή αδράνειας ενός στερεού, ως προς κάποιο άξονα περιστροφής, δεν εξαρτάται από : (α) την κατανοµή της µάζας του σώµατος. (ϐ) το µέγεθος του σώµατος. (γ) τη ϱοπή των δυνάµεων που δέχεται το σώµα. (δ) τη ϑέση του άξονα περιστροφής.

Α.5. Η ϱοπή αδράνειας ενός σώµατος, ως προς ένα άξονα εκϕράζει : (α) την ικανότητα του σώµατος να περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα. (ϐ) το πόσο γρήγορα περιστρέφεται το στερεό σώµα. (γ) την αδράνεια του σώµατος στη µεταφορική κίνηση. (δ) την αδράνεια του σώµατος στη στροφική κίνηση.

Α.6. Μια οριζόντια ϱάβδος έχει τη δυνατότητα να στρέφεται γύρω από κατακόρυφο άξονα P, που διέρχεται από το άκρο της. Η ϱάβδος είναι ακίνητη και κάποια στιγµή δέχεται σταθερή ϱοπή ως προς τον άξονα P. Τότε : (α) η γωνιακή της µετατόπιση είναι ανάλογη του χρόνου. (ϐ) η γωνιακή της ταχύτητα µεταβάλλεται ανάλογα µε το τετράγωνο του χρόνου. (γ) η γωνιακή της ταχύτητα µεταβάλλεται µε σταθερό ϱυθµό. (δ) η γωνιακή της επιτάχυνση είναι µηδενική. 249


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Α.7. Για να διατηρεί ένα σώµα την περιστροφική του κατάσταση σταθερή πρέπει το αλγεβρικό άθροισµα των ϱοπών να : (α) είναι σταθερό και διάφορο του µηδενός. (ϐ) είναι µηδέν. (γ) αυξάνεται µε σταθερό ϱυθµό. (δ) µειώνεται µε σταθερό ϱυθµό.

Α.8. Μια σφαίρα κυλίεται χωρίς ολίσθηση κατά µήκος κεκλιµένου επιπέδου υπό την επίδραση µόνο του ϐάρους της και της δύναµης που δέχεται από το επίπεδο. Αρχικά η σφαίρα ανεβαίνει και στη συνέχεια κατεβαίνει. (α) Η ϕορά του διανύσµατος της στατικής τριβής παραµένει σταθερή. (ϐ) Η γωνιακή επιτάχυνση της σφαίρας µεταβάλλεται µε σταθερό ϱυθµό. (γ) ο ϱυθµός µεταβολής της στροφορµής της ως προς άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας της µεταβάλλεται. (δ) ΄Οταν η σφαίρα ανεβαίνει, το διάνυσµα της γωνιακής επιτάχυνσης έχει αντίθετη ϕορά από την ϕορά όταν κατεβαινει.

Α.9. ∆ύο στερεά σώµατα εκτελούν στροφική κίνηση µε ίδια στροϕορµή. Το σώµα µε την µεγαλύτερη ϱοπή αδράνειας : (α) έχει µεγαλύτερη κινητική ενέργεια και µικρότερη γωνιακή ταχύτητα. (ϐ) έχει µικρότερη κινητική ενέργεια και µεγαλύτερη γωνιακή ταχύτητα. (γ) έχει µικρότερη κινητική ενέργεια και µικρότερη γωνιακή ταχύτητα. (δ) έχει µεγαλύτερη κινητική ενέργεια και µεγαλύτερη γωνιακή ταχύτητα. 250


πεξλά από ην θέληξν ηνπ. Αζθνύκε ζηελ πεξηθέξεηα ηνπ δίζθνπ νξηδόληηα δύλακε ζηαζεξνύ κέηξνπ πνπ είλαη ζπλερώο εθαπηόκελε ζε απηόλ. Πνην από ηα παξαθάηω δηαγξάκκαηα παξηζηάλεη ην ξπζκό κεηαβνιήο ηεο ζηξνθνξκήο ηνπ δίζθνπ ζε ζπλάξηεζε κε ην ρξόλν;

Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου ΔL/Δt

(α)

ΔL/Δt

t

(β)

ΔL/Δt

t

(γ)

ΔL/Δt

t

(δ)

t

Α.10. Οριζόντιος δίσκος µπορεί να στρέφεται σε οριζόντιο επίπεδο, γύρω από κατακόρυφο άξονα που διέρχεται από το κέντρο του. Ασκούµε στην περιφέρεια του δίσκου οριζόντια δύναµη σταΦυσικής ζητήματα 1 fisikis zitimata ϑερού µέτρου που είναι συνεχώς εφαπτόµενη σε αυτόν. Ποιο από τα παρακάτω διαγράµµατα παριστάνει το ϱυθµό µεταβολής της στροφορµής του δίσκου σε συνάρτηση µε τον χρόνο ; Α.11. ΄Ανθρωπος ϐρίσκεται πάνω στην επιφάνεια και κοντά στο κέντρο οριζόντιου δίσκου που περιστρέφεται µε γωνιακή ταχύτητα ω1 γύρω από άξονα κάθετο στο κέντρο του. Αν ο άνθρωπος µετακινηθεί στην περιφέρεια του δίσκου, τότε η γωνιακή ταχύτητα του δίσκου ω2 ϑα είναι : (α) ω2 = ω1 (ϐ) ω2 > ω1 (γ) ω2 < ω1 (δ) ω2 = 0

Α.12. Μια σφαίρα µάζας Μ και ακτίνας R κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει σε οριζόντιο δάπεδο µε γωνιακή ταχύτητα µέτρου ω . Η ϱοπή αδράνειας της σφαίρας ως προς άξονα που διέρχεται από το κέντρο της υπολογίζεται από τον τύπο : Icm =

2 M R2 . Το πο5

σοστό της κινητικής ενέργειας της σφαίρας που εµφανίζεται µε την µορφή κινητικής ενέργειας λόγω περιστροφής ισούται µε : (α) 40 %

400 % 3 200 (γ) % 7

(ϐ)

251


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου (δ)

500 % 3

Α.13. ΄Ενα στερεό σώµα περιστρέφεται γύρω από σταθερό άξονα, µε γωνιακή ταχύτητα ω . Αν διπλασιαστεί η γωνιακή του ταχύτητα, τότε η κινητική του ενέργεια : (α) υποτετραπλασιάζεται. (ϐ) υποδιπλασιάζεται. (γ) διπλασιάζεται. (δ) τετραπλασιάζεται.

Α.14. ΄Οταν οι ακροβάτες ϑέλουν να κάνουν πολλές στροφές στον αέρα, συµπτύσσουν τα χέρια και τα πόδια τους. Με αυτό τον τρόπο : (α) αυξάνουν τη στροφορµή τους. (ϐ) µειώνουν την κινητική τους ενέργεια. (γ) µειώνουν τη ϱοπή αδράνειάς τους. (δ) αυξάνουν τη µάζα τους.

Α.15. ΄Ενας κύβος και µία σφαίρα έχουν την ίδια µάζα και αϕήνονται να κινηθούν από το ίδιο ύψος δύο κεκλιµένων επιπέδων. Ο κύβος ολισθαίνει χωρίς τριβές στο ένα και η σφαίρα κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει στο άλλο. Στη ϐάση των κεκλιµένων επιπέδων έχουν κινητικές ενέργειες Kκύβ και Kσφ αντίστοιχα. Για το λόγο των ενεργειών ισχύει : (α)

Kκύβ >1 Kσφ

(ϐ)

Kκύβ <1 Kσφ

(γ)

Kκύβ =1 Kσφ

(δ)

Kκύβ <0 Kσφ

252


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής µε αιτιολόγηση Β.1. Μία οριζόντια ϱάβδος ΑΒ µήκους L εκτελεί στροφική κίνηση µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα ίση µε ω γύρω από σταθερό κατακόρυφο άξονα περιστροφής που διέρχεται από το άκρο της Α. Το µέσο Μ της ϱάβδου έχει κεντροµόλο επιτάχυνση ίση µε : (α) αk = ω 2 L (ϐ) αk = ω 2 L2 (γ) αk = ω 2 L4 Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.2. Τροχός κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει σε οριζόντιο επίπεδο. Ιία μνηδόκηηα νάβδμξ ΑΒ μήθμοξ εθηειεί ζηνμθηθή θίκεζε με ζηαζενή γςκηαθή Κάποια χρονική στιγµή το σηµείο ∆ ϐρίσκεται στην κατακόρυφη

ηαπύηεηα ίζε με

γύνς από ζηαζενό θαηαθόνοθμ άλμκα πενηζηνμθήξ πμο δηένπεηαη από ημ

άθνμ ηεξ Α. Τμ μέζμ Ι ηεξ νάβδμο έπεη θεκηνμμόιμ επηηάποκζε ίζε με:

διάµετρο και απέχει από το κέντρο Κ απόσταση

R (ϐρίσκεται 2

πάνω από το Κ). Εάν η. ταχύτητα του ∆ είναι υ∆ , η ταχύτητα του α) . β) γ) . κέντρουΠμηόµάζας είναι : από ηα παναπάκς είκαη ημ ζςζηό; Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκηεζή ζαξ. Τνμπόξ θοιίεηαη πςνίξ κα μιηζζαίκεη ζε μνηδόκηημ επίπεδμ. Ηάπμηα πνμκηθή ζηηγμή ημ ζεμείμ Δ βνίζθεηαη ζηεκ θαηαθόνοθε δηάμεηνμ

θαη

απόζηαζε (α) ημ Η).

απέπεη

από

ημ θέκηνμ Η

3 =(βνίζθεηαη υ∆ 2

υcm

2 = υ∆ 3

Γάκ ε ηαπύηεηα ημο Δ είκαη

υ

(ϐ) μάδαξ cm είκαη: ημο θέκηνμο α)

(γ) υcm =

πάκς από

, ε ηαπύηεηα

1 υ∆ 2

β)

γ)

Πμημ από ηα παναπάκς είκαη ημ ζςζηό; Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκηεζή ζαξ.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Δίζθμξ αθηίκαξ

θοιίεηαη πςνίξ κα μιηζζαίκεη θαη ε γςκηαθή ημο ηαπύηεηα

μεηαβάιιεηαη με ημ πνόκμ όπςξ θαίκεηαη ζημ δηάγναμμα.

Β.3. ∆ίσκος ακτίνας R = 0, 3m κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει και ε ηαπύηεηα ημο θέκηνμο μάδαξ ηεκ πνμκηθή η γωνιακή του ταχύτητα µεταβάλλεται µε το χρόνο όπως ϕαίνεται ζηηγμή είκαη: α) στο διάγραµµα. . A)

β)

.

Α. η ταχύτητα του κέντρου µάζας την χρονική στιγµή t1 = 2s είναι :

γ) Β)

.

(α) υcm = 50m/s

Ε

γςκηαθή

επηηάποκζε

ημο

ζώμαημξ

είκαη:

(ϐ) υcm = 2m/s α)

β)

http://perifysikhs.wordpress.com

Ιηπάιεξ Γ. Ηαναδεμεηνίμο, Φοζηθόξ Msc

γ)

Σειίδα 2

253


μημ από ηα παναπάκς είκαη ημ ζςζηό; Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκηεζή ζαξ.

ξ

θοιίεηαη πςνίξ κα μιηζζαίκεη θαη ε γςκηαθή ημο ηαπύηεηα Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

πνόκμ όπςξ θαίκεηαη ζημ δηάγναμμα.

ημο

θέκηνμο

επηηάποκζε

μάδαξ

ηεκ

πνμκηθή

(γ) υcm = 5m/s

ημο

ζώμαημξ

είκαη:

Β. Το διάστηµα που έχει διανύσει ο δίσκος µέχρι την χρονική στιγµή t = 2s είναι :

β)

dpress.com

(α) S = 2m

γ)

Γ) Τμ δηάζηεμα πμο έπεη δηακύζεη μ δίζθμξ μέπνη ηε

(ϐ) S = 4m

ίμο, Φοζηθόξ Msc(γ) S = 50m

α)

.

Σειίδα 2

β)

.

γ)

Πμηό από ηα παναπάκς είκαη ημ ζςζηό; Κα δ Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Δομ μμμγεκείξ δίζθμη ζηνέθμκηαη γύνς από ζηαζενό άλ

Β.4. ∆υο οµογενείς δίσκοι στρέφονται γύρω απόδηάγναμμα σταθερό άξονα ημ θέκηνμ ημοξ. Σημ θαίκεηαη πςξ μεηαβάιιεηαη ε γς περιστροφής που περνά από το κέντρο τους. ζοκάνηεζε με ημκ πνόκμ. Στο διάγραµµα ϕαίνεται πως µεταϐάλλεται η γωνία που διαγράφει κάθε δίσκος σε συνάρτηση µε τον χρόνο.

α) μη δομ δίζθμη έπ (με μεδεκηθή).

β) μη δίζθμη εθηε

(α) οι δυο δίσκοι έχουν την ίδια γωνιακή επιτάχυνση (µη µηδενική).

δηαθμνεηηθέξ γςκηα

γ) μη δομ δίζθμη εθη

(ϐ) οι δίσκοι εκτελούν επιταχυνόµενη κίνηση µε διαφορετικές γωνιακές επιταχύνσεις.

ε γςκηαθή ηαπύηε

ζηηγμή είκαη μεγαιύ

ημο δεοηένμο (γ) οι δυο δίσκοι εκτελούν οµαλή στροδ) ζε ίζμοξ πνόκ ϕική κίνηση και η γωνιακή ταχύτηπενηζζόηενεξ πενηζηνμθέξ από ημκ δίζθμ 1. τα του πρώτου κάθε χρονική στιγµή είναι µεγαλύτερη από την γωνιακή Κα παναθηενηζηεί θάζε πνόηαζε ζακ ζςζηή ε ιακζαζμέκε θαη κ ταχύτητα του δευτέρου την ίδια χρονική στιγµή. ηεξ θάζε πνόηαζεξ. (δ) σε ίσους χρόνους ο δίσκος 2 ϑα εκτελέσει περισσότερες περιστροφές Τνμπόξ θοιίεηαη πςνίξ κα μιηζζαίκεη ζε μνηδόκηημ δ από τον δίσκο 1. βνίζθεηαη ζηεκ πενηθένεηα ημο ηνμπμύ θαη ε επηβαηηθή ημο αθηί

254

δηάμεηνμ γςκία

(όπςξ ζημ ζπήμα). Το

είναι α) β)


ζηηγμή είκαη μεγαι��ηενε από ηεκ γςκηα ημο

δεοηένμο

ηεκ

ίδηα

πνμκηθ

δ) ζε ίζμοξ πνόκμοξ μ δίζθμξ 2 ζ πενηζζόηενεξ πενηζηνμθέξ από ημκ δίζθμ 1.

Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Κα παναθηενηζηεί θάζε πνόηαζε ζςζηή ε ιακζαζμέκε θαη κα δηθαημιμγεζεί μ πα Να χαρακτηριστεί κάθε πρόταση σαν σωστή ηζακ λανθασµένη και να δικαιολογηθεί ο χαρακτηρισµόςηεξ τηςθάζε κάθεπνόηαζεξ. πρότασης. Τνμπόξ χωρίς θοιίεηαηνα πςνίξ κα μιηζζαίκεη ζε μνηδόκηημδάπεδο δάπεδμ με ηαπύηεηα Β.5. Τροχός κυλίεται ολισθαίνει σε οριζόντιο µε ταχύτητα υcm . Το Β ϐρίσκεται στην περιφέρεια του ημο τροχού βνίζθεηαη ζηεκ πενηθένεηα ημο ηνμπμύ θαη ε επηβαηηθή αθηίκακαι ζπεμαηίδεη με ηεκ η επιβατική του ακτίνα την κατακόρυφη διάµετρο δηάμεηνμ γςκία σχηµατίζει (όπςξ ζημµε ζπήμα). o γωνία 60 (όπως στο σχήµα). Το µέτρο της ταχύτητας του Β είναι :

Το μέηρο ηης ηατύηη είναι: α)

.

β)

.

γ)

(α) υB = υcm

.

((ϐ) υB = υcm 2

δ) . υcm 2 Πμηό από ηα παναπάκς είκαη ημ ζςζηό; Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκηεζή ζαξ. 3υcm (δ) υB = 2http://perifysikhs.wordpress.com Ιηπάιεξ Γ. Ηαναδεμεηνίμο, Φοζηθόξ Msc Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. Ε νάβδμξ ΑΒ είκαη μμμγεκήξ, έπεη βάνμξ θαη ηζμννμπεί όπςξ θαίκεηαη ζ (γ) υB =

Β.6. Η ϱάβδος ΑΒ είναι οµογενής, έχει ϐάρος w και ισορροπεί όπως ϕαίνεται στο σχήµα.

(α) Για να ισορροπεί η ϱάβδος ϑα πρέπει ο τοίχος και το δάπεδο να είναι λεία.

α) Γηα κα ηζμννμπεί ε νάβδμξ ζα πνέπεη μ ημίπμξ θαη ημ δάπεδμ κα εί 255

β) Γηα κα ηζμννμπεί ε νάβδμξ ζα πνέπεη κα είκαη ιείμξ μ ημίπμξ θαη ημ δάπεδμ κα έ

γ) Γηα κα ηζμννμπεί ε νάβδμξ ζα πνέπεη κα είκαη ιείμ ημ δάπεδμ θαη μ ημίπμξ κα έ

Κα παναθηενηζηεί θάζε πνόηαζε ζακ ζςζηή ε ιακζαζμέκε δηθαημιμγώκηαξ ηεκ επηιμγή ζ


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου (ϐ) Για να ισορροπεί η ϱάβδος ϑα πρέπει να είναι λείος ο τοίχος και το δάπεδο να έχει τριβή. (γ) Για να ισορροπεί η ϱάβδος ϑα πρέπει να είναι λείο το δάπεδο και ο τοίχος να έχει τριβή.

ε νάβδμξ ζα πνέπεη μ ημίπμξ θαη ημ δάπεδμ κα είκαη ιεία.

Να χαρακτηριστεί κάθε πρόταση σαν σωστή η λανθασµένη δικαιολογώντας την επιλογή σας.

βδμξ ζα πνέπεη κα είκαη ιείμξ μ ημίπμξ θαη ημ δάπεδμ κα έπεη ηνηβή.

Β.7. Οι δύο οµόκεντροι δίσκοι του διπλανού σχήµατος µπορούν να περιστρέφονται γύρω από σταθερό άξονα που διέρχεται από το κέντρο τους. Οι δίσκοι είναι κολληµένοι και µπορούν να περινόηαζε ζακ ζςζηή ε ιακζαζμέκε δηθαημιμγώκηαξ ηεκ επηιμγή ζαξ. στρέφονται σαν ένα σώµα. Ασκούµε στους δίσκους τις δυνάµεις F1 και F2 που ϕαίνονται στο σχήµα και τελικά παρατηρούµε ότι η δίζθμη ημο δηπιακμύ ζπήμαημξ μπμνμύκ κα πενηζηνέθμκηαη γύνς από το σύστηµα περιστρέφεται µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα. Για τις εηαη από ημ θέκηνμ ημοξ. δυνάµεις F1 και F2 ισχύει :

βδμξ ζα πνέπεη κα είκαη ιείμ ημ δάπεδμ θαη μ ημίπμξ κα έπεη ηνηβή.

μη θαη μπμνμύκ κα πενηζηνέθμκηαη ζακ

ξ δίζθμοξ ηηξ δοκάμεηξ

θαη

πμο

η ηειηθά παναηενμύμε όηη ημ ζύζηεμα γςκηαθή ηαπύηεηα. ηζπύεη: β)

(α) F1 = 2F2

. (ϐ) F2 γ) = 2F1

.

(γ) F1 = F2

ηή; Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκηεζή ζαξ.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.8. ΄Ενας θαη οµογενής δίσκος, µάζας M και ακτίνας R νηδόκηημξ δίζθμξ, μάδαξ αθηίκαξ οριζόντιος , πενηζηνέθεηαη γύνς από

, περιστρέφεται γύρω από κατακόρυφο ακλόνητο άξονα z , ο οημο δίζθμο. Έκα μηθνό ποίος διέρχεται από το κέντρο Κ του δίσκου. ΄Ενα µικρό σώµα, µάζας m , τοποθετείται πολύ κοντά στο κέντρο και αρχίζει να ολιess.com δίσκου. Κατά τη διάρκεια Φοζηθόξ Msc σθαίνει αργά προς την περιφέρεια του Σειίδα 4 της κίνησης του µικρού σώµατος προς την περιφέρεια, η ϱοπή αδράνειας του συστήµατος δίσκος - µικρό σώµα :

μκα

, μ μπμίμξ δηένπεηαη από ημ θέκηνμ

(α) µειώνεται. (ϐ) µένει σταθερή. 256


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου (γ) αυξάνεται.

ζώμα, μάδαξ

,Να ημπμζεηείηαη πμιύ θμκηά ζημ θέκηνμ θαη ανπίδεη κα μιηζζαίκεη ανγά πνμξ επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

ηεκ πενηθένεηα ημο δίζθμο. Ηαηά ηε δηάνθεηα ηεξ θίκεζεξ ημο μηθνμύ ζώμαημξ πνμξ ηεκ πενηθένεηα, ε νμπή αδνάκεηαξ ημο ζοζηήμαημξ δίζθμξ – μηθνό ζώμα:

Β.9. ΄Ενας οµογενής ξύλινος δίσκος (1) και ένας οµογενής µεταλέχουν την ίδια µάζα και την ίδια ακτίνα. Αν I1 α) μεηώκεηαη. λικός δακτύλιοςβ)(2) μέκεη ζηαζενή. γ) αολάκεηαη. και I2 είναι αντίστοιχα η ϱοπή αδράνειας του δίσκου και του δαΚα προς επηιέληε ηε ζςζηή απάκηεζε κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ. κτυλίου ως άξονα κάθετο στοθαη επίπεδό τους, που διέρχεται από το κέντρο µάζας τους, τότε ισχύει η σχέση : Έκαξ μμμγεκήξ λύιηκμξ δίζθμξ (1) θαη έκαξ μμμγεκήξ μεηαιιηθόξ δαθηύιημξ (2) έπμοκ ηεκ (α) I1 < I2 ίδηα μάδα θαη ηεκ ίδηα αθηίκα. Ακ θαη είκαη ακηίζημηπα ε νμπή αδνάκεηαξ ημο δίζθμο θαη ημο ϐ) I = I 1 2 θάζεημ ζημ επίπεδό ημοξ, πμο δηένπεηαη από ημ θέκηνμ μάδαξ ημοξ, δαθηοιίμο ςξ πνμξ άλμκα ηόηε ηζπύεη ε ζπέζε: (γ) I1 > I2 α)

.

β) απάντηση . και να αιτιολογήσετε την γ) επιλογή σας. . Να επιλέξετε τη σωστή Κα επηιέληε ηε ζςζηή απάκηεζε θαη κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ.

Β.10. ∆ύο οριζόντιοι τροχοί Α και Β, µε ακτίνες αµελητέας µάζας, έχουν την ίδιαΑ µάζα όλη ηαμειεηέαξ µάζα τους είναι οµοιόµορφα καταΔύμ μνηδόκηημη ηνμπμί θαη Β, και με αθηίκεξ μάδαξ, έπμοκ ηεκ ίδηα μάδα θαη όιε νεµηµένη στην περιφέρειά τους. Ο ημοξ. τροχός Α έχει τη ηε διπλάσια ε μάδα ημοξ είκαη μμμηόμμνθα θαηακεμεμέκε ζηεκ πενηθένεηά Ο ηνμπόξ Α έπεη δηπιάζηα τον τροχό Β. Οικαδύο τροχοί µπορούν περιστρέφοναθηίκα απ’ ημκ ακτίνα ηνμπό Β. από Οη δύμ ηνμπμί μπμνμύκ πενηζηνέθμκηαη γύνς απόνα θαηαθόνοθμ άλμκα, ται γύρω από κατακόρυφο άξονα, που διέρχεται από το κέντρο πμο δηένπεηαη από ημ θέκηνμ μάδαξ ημοξ. Δίκεηαη ε νμπή αδνάκεηαξ εκόξ ηνμπμύ ςξ πνμξ άλμκα, µάζας τους. πμο δηένπεηαη από ημ θέκηνμ μάδαξ ημο:

.

∆ίνεται η ϱοπή αδράνειας ενός τροχού ως προς άξονα, που διέρχεται από το κέντρο Αζθμύμε εθαπημμεκηθά ζηεκ πενηθένεηα θάζε ηνμπμύ µάζας του : Icm = mR2 . Ασκούµε εφαπτοµεδύκαμε ίδημο Γηα ηα κάθε μέηνατροχού ηςκ δύναµη γςκηαθώκ νικάμέηνμο. στην περιφέρεια F~ Για τα µέτρα των γωνιακών επηηαπύκζεςκ ίδιου πμο ζαµέτρου. απμθηήζμοκ μη δύμ ηνμπμί, ηζπύεη όηη: επιταχύνσεων που ϑα αποκτήσουν οι δύο τροα) .χοί, ισχύει ότι : β) .

γ)

. (α) αA < αB (ϐ) αA = αΚα B επηιέληε ηε ζςζηή απάκηεζε θαη κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ. (γ) αA > αB Να επιλέξετε τημμμγεκήξ σωστή απάντηση και ναζηνέθεηαη αιτιοΈκαξ θαηαθόνοθμξ θύιηκδνμξ, λογήσετε την επιλογή σας.

ανηζηενόζηνμθα με γςκηαθή ηαπύηεηα μέηνμο

γύνς από

ζηαζενό άλμκα, πμο δηένπεηαη από ημκ άλμκά ημο. Σημκ θύιηκδνμ αζθείηαη θαηάιιειε νμπή δύκαμεξ μέηνμο

, μπόηε ε γςκηαθή

ηαπύηεηα πενηζηνμθήξ ημο μεηαβάιιεηαη με ημ πνόκμ όπςξ θαίκεηαη

ζημ

δηάγναμμα

ημο

ζπήμαημξ.

257


Γηα

ηα

μέηνα

ηςκ

γςκηαθώκ

θηήζμοκ μη δύμ ηνμπμί, ηζπύεη όηη: β)

. Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.11. ΄Ενας κατακόρυφος οµογενής κύλινδρος, στρέφεται αριστερόστροφα µε γωνιακή ταχύτητα µέτρου ω0 γύρω από σταθερό άξονα, που διέρχεται από τον άξονά του. Στον κύλινδρο ασκείται κατάλληλη ϱοπή δύναµης µέτρου τF ,

Κα επηιέληε ηε ζςζηή απάκηεζε θαη κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ.

θμξ μμμγεκήξ θύιηκδνμξ, ζηνέθεηαη

αθή ηαπύηεηα μέηνμο

γύνς από

εηαη από ημκ άλμκά ημο. Σημκ θύιηκδνμ

δύκαμεξ μέηνμο

, μπόηε ε γςκηαθή

μο μεηαβάιιεηαη με ημ πνόκμ όπςξ δηάγναμμα

ημο

ζπήμαημξ.

οπότε η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του µεταβάλλεται µε το χρόνογναθηθή όπως ϕαίνεται τουζοκάνηεζε σχήµατος. Ε ζςζηή πανάζηαζεστο ηεξδιάγραµµα νμπήξ ζε με Η ημσωστή πνόκμ γραt είκαη ημ: ϕική παράσταση της ϱοπής τ σε συνάρτηση µε το χρόνο t είναι F ess.com Φοζηθόξ Msc το : Σειίδα 5

Κα επηιέληε ημ ζςζηό θαη κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ. σας. Να επιλέξετε τηδηάγναμμα σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή

. Σημ ζπήμα θαίκμκηαηϕαίνονται ζε θάημρε δύμσε όμμηεξ μμμγεκείξ νάβδμη (1) θαηοµογενείς (2), πμο βνίζθμκηαη Β.12. Στο σχήµα κάτοψη δύο όµοιες ζε ιείμ μνηδόκηημ νάβδμξ (1) είκαη ειεύζενε εκώ οριζόντιο ε ϱάβδοι (1) δάπεδμ. και (2),Ε που ϐρίσκονται σε λείο δάπεδο. Η νάβδμξ (2) είκαη αθιόκεηα ενώ ζημ ανηζηενό άθνμ(2) ηεξείναι στερεωµένη αϱάβδος (1)ζηενεςμέκε είναι ελεύθερη η ϱάβδος Α. Δίκεηαη ε νμπή αδνάκεηαξ μηαξάκρο μμμγεκμύξ νάβδμο ςξ πνμξ κλόνητα στο αριστερό της Α. ∆ίνεται η ϱοπή αδράνειας µιας άλμκα θάζεημ ζ’ αοηήκ πμο ως δηένπεηαη ημ κάθετο θέκηνμ μάδαξ οµογενούς ϱάβδου προς από άξονα σε αυτήν που διέρχεται από το κέντρο µάζας της : Icm =

1 M L2 . 12

ηεξ: Ασκούµε στο δεξιό . άκρο τους την ίδια οριζόντια δύναµη F κάθε-

τα σε κάθε ϱάβδο. Για τα µέτρα των γωνιακών επιταχύνσεων α1 Αζθμύμε ζημ άθνμαποκτήσουν ημοξ ηεκ ίδηα αντίστοιχα μνηδόκηηα δύκαμε F ϱάβδοι ισχύει : και α που ϑα οι δύο 2 , δεληό θάζεηα(α) ζε αθάζε < ανάβδμ. Γηα ηα μέηνα ηςκ γςκηαθώκ επηηαπύκζεςκ 1

2

θαη

, πμο ζ’ απμθηήζμοκ

ακηίζημηπα μη δύμ νάβδμη ηζπύεη: 258

α)

.

β)

.

γ)

.

Κα επηιέληε ηε ζςζηή απάκηεζε θαη κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ.

. Ε Γε ζηνέθεηαη ζε ειιεηπηηθή ηνμπηά γύνς από ημκ Ήιημ. Τμ θμκηηκόηενμ ζεμείμ ζημκ Ήιημ μκμμάδεηαη Πενηήιημ (π) θαη ημ πημ απμμαθνοζμέκμ Αθήιημ (α). Ακ ζεςνήζμομε ηε Γε οιηθό


πήμα θαίκμκηαη ζε θάημρε δύμ όμμηεξ μμμγεκείξ νάβδμη (1) θαη (2), πμο βνίζθμκηαη

ηημ δάπεδμ. Ε (1) είκαη ειεύζενε εκώζαξ. ε ό δηάγναμμα θαηνάβδμξ κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή αη ζηενεςμέκε αθιόκεηα ζημ ανηζηενό άθνμ ηεξ

μπή αδνάκεηαξ μηαξ μμμγεκμύξ νάβδμο ςξ πνμξ (1) θαη (2), πμο βνίζθμκηαη θαίκμκηαη ζε θάημρε δύμ όμμηεξ μμμγεκείξ Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ νάβδμη Λυκείου

ζ’ αοηήκ πμο δηένπεηαη από ημ θέκηνμ πεδμ. Ε νάβδμξ (1) είκαη ειεύζε��ε εκώ ε μάδαξ

νεςμέκε αθιόκεηα ζημ ανηζηενό άθνμ ηεξ

δνάκεηαξ .μηαξ μμμγεκμύξ νάβδμο ςξ πνμξ

ηήκ πμο δηένπεηαη από ημ θέκηνμ μάδαξ

δεληό άθνμ ημοξ ηεκ ίδηα μνηδόκηηα δύκαμε F

ε νάβδμ. Γηα ηα μέηνα ηςκ γςκηαθώκ επηηαπύκζεςκ .

θαη

, πμο ζ’ απμθηήζμοκ

ύμ νάβδμη ηζπύεη:

(ϐ) α1 > α2 άθνμ ημοξ ηεκ ίδηα μνηδόκηηα δύκαμε F . β)α2 . α1 = δμ. Γηα ηα μέηνα ηςκ(γ) γςκηαθώκ επηηαπύκζεςκ

θαη

γ) . , πμο ζ’ απμθηήζμοκ

βδμη ηζπύεη: Κα επηιέληε ηε ζςζηήτη απάκηεζε θαη κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή ζαξ. Να επιλέξετε σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

. β) . γ) Τμ θμκηηκόηενμ . ζηνέθεηαη ζε ειιεηπηηθή από ημκ σε Ήιημ. ζεμείμ ζημκ από τον ΄Ηλιο. Β.13. ηνμπηά Η Γη γύνς στρέφεται ελλειπτική τροχιά γύρω

αη Πενηήιημ (π) θαη ημζςζηή πημ απμμαθνοζμέκμ Αθήιημ (α). Ακ΄Ηλιο ζεςνήζμομε ηεζαξ. Γε οιηθό Το κοντινότερο σηµείο στον ονοµάζεται Περιήλιο (π) και Κα επηιέληε ηε απάκηεζε θαη κα αηηημιμγήζεηε ηεκ επηιμγή το πιο απμζηάζεηξ αποµακρυσµένο Αφήλιο (α). Αν ϑεωρήσουµε τη Γη υλικό γηα ηηξ ακηίζημηπεξ

τότεηόηε: γιαημκ τιςΉιημ. αντίστοιχες αποστάσεις ισχύει rα εηαη, ζε ειιεηπηηθήσηµείο ηνμπηά γύνς από Τμ θμκηηκόηενμ ζεμείμ ζημκ νηήιημ (π) θαη ημ πημ απμμαθνοζμέκμ Αθήιημ (α). Ακ ζεςνήζμομε ηε Γε οιηθό

= 2rπ , τότε :

ηηξ ακηίζημηπεξ πύηεηεξ δηέιεοζεξ απμζηάζεηξ ηεξ Γεξ από ημ ημ

πενηήιημ

ηζπύεη

ηόηε:

.

εξ δηέιεοζεξ ηεξ δηέιεοζεξ Γεξ από ημ εηηθέξ εκένγεηεξ ηεξ Γεξ

πενηήιημ ηζπύεη θαη ημ πενηήιημ ηζπύεη

.

.

(α) Για τις ταχύτητες διέλευσης της Γης από το αφήλιο και το περιήλιο ισχύει υα = ikhs.wordpress.com 2υπ Γεξ εκένγεηεξ δηέιεοζεξ ηεξ

αδεμεηνίμο, Φοζηθόξ Msc Σειίδα 6 (ϐ) Για τις . κινητικές ενέργειες διέλευσης της Γης από το αφήλιο και το περιήλιο πενηήιημ ηζπύεη ισχύει Kπ = 4Kα .

ordpress.com

ηνίμο, Φοζηθόξ Msc

Να χαρακτηρίσετε κάθε πρόταση ως Σωστή (Σ) ή Λάθος Σειίδα(Λ) 6 και να αιτιολογήσετε τους χαρακτηρισµούς.

Β.14. ΄Ενας οµογενής δίσκος στρέφεται σε οριζόντιο επίπεδο χωϱίς τριβές γύρω από κατακόρυφο άξονα µε γωνιακή ταχύτητα ω1 . ΄Ενα κοµµάτι γύψου µάζας m πέφτει κατακόρυφα και κολλάει στο δίσκο σε απόσταση l από τον άξονα περιστροφής. (α) Ο γύψος ελάχιστα πριν ακουµπήσει στον δίσκο, έχει ως προς τον άξονα περιστροφής του δίσκου στροφορµή ίση µε µηδέν. 259


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου (ϐ) Αµέσως µετά την κρούση η στροφορµή του συστήµατος δίσκος-γύψος µειώνεται. (γ) Η γωνιακή ταχύτητα του δίσκου µειώνεται µετά την κρούση. (δ) Στην κρούση αυτή δεν ισχύει η Αρχή ∆ιατήρησης της Ορµής.

Να χαρακτηρίσετε κάθε πρόταση ως Σωστή (Σ) ή Λάθος (Λ) και να αιτιολογήσετε τους χαρακτηρισµούς.

Β.15. ∆υο χορευτές του καλλιτεχνικού πατινάζ πιάνονται αντικριστά µε τεντωµένα χέρια και περιστρέφονται. Κάποια στιγµή λυγίζουν τα χέρια τους ώστε τα σώµατά τους να πλησιάσουν µεταξύ τους. Ποιο από τα παρακάτω µεγέθη ϑα αυξηθεί· (α) Η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του συστήµατος. (ϐ) Η ϱοπή αδράνειας του συστήµατος. (γ) Η στροφορµή του συστήµατος. (δ) Η περίοδος περιστροφής.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.16. ΄Ενα σωµάτιο µάζας m περιστρέφεται γύρω από σταθερό άξονα. Αν η απόσταση του σωµατίου από τον άξονα διπλασιαστεί, χωρίς να µεταβληθεί η γωνιακή του ταχύτητα, η στροφορµή του ως προς τον άξονα περιστροφής : (α) διπλασιάζεται. (ϐ) τετραπλασιάζεται. (γ) παραµένει σταθερή. (δ) υποδιπλασιάζεται.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 260


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β.17. Στα άκρα µιας οριζόντιας αβαρούς ϱάβδου µήκους ϐρίσκονται δύο όµοιες µάζες m1 = m2 = m. Το σύστηµα περιστρέφεται µε συχνότητα f1 γύρω από σταθερό κατακόρυφο άξονα που διέρχεται από το κέντρο της ϱάβδου. Αν λόγω εσωτερικών δυνάµεων υποδιπλασιαστεί η απόσταση κάθε µάζας από τον άξονα περιστροφής, τότε : (α) Η ϱοπή αδράνειας του συστήµατος υποδιπλασιάζεται και η στροφορµή του συστήµατος υποδιπλασιάζεται. (ϐ) Η ϱοπή αδράνειας του συστήµατος υποτετραπλασιάζεται και η στροφορµή του συστήµατος παραµένει σταθερή. (γ) Η ϱοπή αδράνειας του συστήµατος παραµένει σταθερή και η στροφορµή του συστήµατος υποδιπλασιάζεται. (δ) Η ϱοπή αδράνειας του συστήµατος υποδιπλασιάζεται και η στροφορµή του συστήµατος παραµένει σταθερή.

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.18. ΄Ενας κύβος και ένας δίσκος έχουν ίδια µάζα και αφήνονται από το ίδιο ύψος να κινηθούν κατά µήκος δύο κεκλιµένων επιπέδων. Ο κύβος ολισθαίνει χωρίς τριβές και ϕτάνει στη ϐάση του κεκλιµένου επιπέδου µε ταχύτητα υ1 . Ο δίσκος κυλιέται χωρίς να ολισθαίνει και ϕτάνει στη ϐάση του κεκλιµένου επιπέδου µε ταχύτητα υ2 . Αν η ϱοπή αδράνειας του δίσκου ως προς τον άξονα περιστροφής του είναι : I =

1 M R2 τότε : 2

(α) υ2 = υ1

r

4 υ1 3

r

2 υ1 3

(ϐ) υ2 =

(γ) υ2 =

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 261


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

Β.19. Οµογενής δίσκος µάζας M και ακτίνας R κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει σε οριζόντιο επίπεδο. Η ταχύτητα του κέντρου µάζας του δίσκου είναι υcm . Η ϱοπήΚααδράνειας προς επηιέλεηε ηε του ζςζηήδίσκου πνόηαζε.ως Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκ

1 M R2 . 2 πςνίξ κα μιηζζαίκεη ζε θοιίεηαη

άξονα που διέρχεται από το κέντρο µάζας του είναι I = Ομμγεκήξ δίζθμξ μάδαξ

θαη αθηίκαξ

Η ολική κινητική ενέργεια του δίσκου είναι : 1 2 (α) M υcm 2

επίπεδμ. Ε ηαπύηεηα ημο θέκηνμο μάδαξ ημο δίζθμο είκαη

πνμξ άλμκα πμο δηένπεηαη από ημ θέκηνμ μάδαξ ημο είκαη 3 2 M υcm 4 Ε μιηθή θηκεηηθή εκένγεηα ημο δίζθμο είκαη: 7 2 (γ) M υcm 8

(ϐ)

. Ε νμπή αδνάκεηαξ ημο δ .

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

α)

.

β)

.

γ)

Β.20. Στο σχήµα ϕαίνεται ένας οµογενής συµπαγής κυκλικός Κα επηιέλεηε ηε ζςζηή πνόηαζε. Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκ δίσκος (Ι) και ένας οµογενής κυκλικός δακτύλιος (ΙΙ), που έχουν ζπήμα θαίκεηαη μμμγεκήξ ζομπαγήξ θοθιηθόξ δίζθμξ (Ζ) θαη έκαξ την ίδια ακτίνα RΣημ , την ίδια µάζαέκαξ m και περιστρέφονται γύρω από άξονα που περνάει από το πμο κέντρο µεαθηίκα την ίδια, ηεκ γωνιακή θοθιηθόξ δαθηύιημξ (ΖΖ), έπμοκτους ηεκ ίδηα ίδηα μάδα θαη πενηζη ταχύτητα ω ~. γύνς από άλμκα πμο πενκάεη από ημ θέκηνμ ημοξ με ηεκ ίδηα γςκηαθή ηαπύ Κάποια χρονική στιγµή ασκούνται στα σώµατα αυτά σταθερές

δυνάµεις ίδιου µέτρου F , εφαπτόµενες στην περιφέρεια και µετά πνμκηθή σταµατούν. ζηηγμή αζθμύκηαη ζηα ζώμαηα ζηαζενέξ από λίγο ταΗάπμηα δύο σώµατα Ο αριθµός τωναοηά στροφών πουδοκάμεηξ ίδημο μέ εθαπηόμεκεξ ζηεκ: πενηθένεηα θαη μεηά από ιίγμ ηα δύμ ζώμαηα ζηαμαημύκ. ϑα εκτελέσουν, ϑα είναι (α) NI = NIIΟ ανηζμόξ ηςκ ζηνμθώκ πμο ζα εθηειέζμοκ, ζα είκαη: (ϐ) NI > NII (γ) NI < NII

α)

.

β)

.

γ)

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 262

Κα επηιέλεηε ηε ζςζηή πνόηαζε. Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκ


Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

Β.21. Ο αρχικά ακίνητος δίσκος του σχήµατος ξεκινά να στρέφε-

~ , ται τη χρονική στιγµή t = 0 µε την επίδραση µιας δύναµης F ως προς άξονα που περνάει από το κέντρο µάζας του και είναι κάθετος στην επιφάνειά του. Τη χρονική στιγµή t1 ο δίσκος έχει ~1 , ως προς τον άξονα περιστροφής του, και τη χροστροφορµή L ~2 = 2L~1 . Η δύναµη από νική στιγµή t2 ο δίσκος έχει στροφορµή L την αρχή µέχρι τη χρονική στιγµή t1 παράγει έργο W1 = 10J . Από την αρχή µέχρι τη χρονική στιγµή t2 η δύναµη παράγει έργο :

αθίκεημξ δίζθμξ ημο ζπήμαημξ λεθηκά κα

ή

ζηηγμή

με

ηεκ

επίδναζε

μηαξ

άλμκα πμο πενκάεη από ημ θέκηνμ μάδαξ ημο

κ επηθάκεηά ημο. Τε πνμκηθή ζηηγμή

μ

, ςξ πνμξ ημκ άλμκα πενηζηνμθήξ ημο, μ δίζθμξ έπεη ζηνμθμνμή

. Ε

πή μέπνη ηε πνμκηθή ζηηγμή

πανάγεη

πό ηεκ ανπή μέπνη ηε πνμκηθή ζηηγμή

ε

(α) 20J

β)

.

γ)

.

(ϐ) 30J πνόηαζε. Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκηεζε ζαξ.

(γ) 40J νάβδμξ ΑΗ ημο ζπήμαημξ είκαη αβανήξ

ό θαηαθόνοθμ άλμκα πμο είκαη θάζεημξ

πεηαη

από

ημ

ζε απόζηαζε

άθνμ

ηεξ

Η.

Ε

από ημκ

ημ μέηνμ ηεξ ηαπύηεηάξ είκαη τη σωστή . Να ηεξ επιλέξετε απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

ενε κα μεηαθηκεζεί ζημ ζεμείμ Α πμο

πμο έπεη ε μάδα

κηίζημηπα, ηζπύεη:

. Γηα ημ ιόγμ ηςκ ζηηξ παναπάκς

263


Ο ανπηθά αθίκεημξ δίζθμξ ημο ζπήμαημξ λεθηκά κα ζηνέθεηαη

ηε

πνμκηθή

ζηηγμή

με

ηεκ

επίδναζε

δύκαμεξ

, ςξ πνμξ άλμκα πμο πενκάεη από ημ θέκηνμ μάδαξ ημο

θαη είκαη θάζεημξ ζηεκ επηθάκεηά ημο. Τε πνμκηθή ζηηγμή δίζθμξ έπεη ζηνμθμνμή θαη ηε πνμκηθή ζηηγμή

μηαξ

μ

, ςξ πνμξ ημκ άλμκα πενηζηνμθήξ ημο, μ δίζθμξ έπεη ζηνμθμνμή

Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

. Ε

Β.22. Η οριζόντια ϱάβδος ΑΚ του σχήµατος είναι αβαρής και πανάγεη ένγμ . Από ηεκ ανπή μέπνη ηε πνμκηθή ζηηγμή ε στρέφεται γύρω από κατακόρυφο άξονα που είναι κάθετος σε δύκαμε πανάγεη ένγμ: αυτήν και διέρχεται από το άκρο της Κ. Η µάζα m συγκρατείται α) . σε απόσταση β) . (ΠΚ)= Rπ απόγ)τον . άξονα περιστροφής και το µέτρο Κα επηιέλεηε ηε ζςζηή πνόηαζε. Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκηεζε της ταχύτητάς της είναι υπζαξ.. Η µάζα αφήνεται ελεύθερη να µετακινηθεί στο σηµείο Α που δύκαμε από ηεκ ανπή μέπνη ηε πνμκηθή ζηηγμή

Ε μνηδόκηηα νάβδμξ ΑΗ ημο ζπήμαημξ είκαη αβανήξ θαη ζηνέθεηαη γύνς από θαηαθόνοθμ άλμκα πμο είκαη θάζεημξ ζε

αοηήκ

μάδα

θαη

δηένπεηαη

από

ημ

άθνμ

ζογθναηείηαη ζε απόζηαζε

ηεξ

Η.

Ε

από ημκ

άλμκα πενηζηνμθήξ θαη ημ μέηνμ ηεξ ηαπύηεηάξ ηεξ είκαη

.

Ε μάδα αθήκεηαη ειεύζενε κα μεηαθηκεζεί ζημ ζεμείμ Α πμο απέπεη απόζηαζε

. Γηα ημ ιόγμ ηςκ

θηκεηηθώκ εκενγεηώκ πμο έπεη ε μάδα ζέζεηξ

α)

θαη

ζηηξ παναπάκς

ακηίζημηπα, ηζπύεη:

απέχει απόσταση (ΑΚ) = RA = 4Rπ . Για το λόγο των κινητικών ενεργειών που έχει η µάζα m στις παραπάνω ϑέσεις Kπ και KA . β) ισχύει . : γ) . αντίστοιχα, Kπ Κα επηιέλεηε ηε ζςζηή πνόηαζε. Κα δηθαημιμγήζεηε ηεκ απάκηεζή ζαξ. (α) =1 KA (ϐ)

Kπ =4 KA K = 16 KA

http://perifysikhs.wordpress.com π

(γ) Ιηπάιεξ Γ. Ηαναδεμεηνίμο, Φοζηθόξ Msc

Σειίδα 10

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Β.23. ∆υο συµπαγείς οµογενείς σιδερένιες σφαίρες µε µάζες M1 , M2 και ακτίνες R1 , R2 , αφήνονται σε κεκλιµένο επίπεδο γωνίας κλίσης φ, οπότε κυλίονται χωρίς να ολισθαίνουν. Αν δίνεται ότι

2 2 M1 = 8M2 και ότι Icmσφ = Mσφ Rσφ , τότε για τις γωνιακές επιτα5 χύνσεις που ϑα αποκτήσουν ϑα ισχύει : (α) αγων,2 = 4αγων,1 (ϐ) αγων,2 = αγων,1 (γ) αγων,2 = 2αγων,1 ∆ίνεται ο όγκος της σφαίρας : V =

4 3 πR 3

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 264


Ομογ. 2009 κίνητος, αρχίζει (t=0) και περιστρέφεται υπό την επίδραση σταθερής ροπής, γύρω

που διέρχεται από το κέντρο του και είναι κάθετος στο επίπεδό του. Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ Λυκείου

K του τροχού ως συνάρτηση του χρόνου απεικονίζεται στο σχήμα:

τή απάντηση.

ν επιλογή σας.

Β.24. Τροχαλία µπορεί να περιστρέφεται χωρίς τριβές γύρω από ακλόνητο οριζόντιο άξονα που περνά από το κέντρο µάζας της. Γύρω από την τροχαλία είναι τυλιγµένο αβαρές και µη εκτατό νήµα. ΄Οταν στο ελεύθερο άκρο του νήµατος ασκούµε κατακόρυφη δύναµη µε ϕορά προς τα κάτω µέτρου F , η τροχαλία αποκτά γωνιακή επιτάχυνση µέτρου αγων,1 ενώ, όταν κρεµάµε στο ελεύθερο άκρο του νήµατος σώµα ϐάρους W = F η τροχαλία αποκτά γωνιακή επιτάχυνση αγων,2 . Ισχύει : Επαν. Εσπερ. 2010

εί να περιστρέφεται χωρίς τριβές γύρω από άξονα που περνά από το κέντρο μάζας της. αλία είναι τυλιγμένο αβαρές και μη εκτατό ελεύθερο άκρο του (α) νήματος αγων,1 = αασκούμε γων,2 μη με φορά προς τα κάτω μέτρου F, η (ϐ) αγων,1 αγων,2όταν ωνιακή επιτάχυνση μέτρου α > ενώ, γων,1

(γ)σώμα αγων,1 < αγων,2 ερο άκρο του νήματος βάρους w=F γωνιακή επιτάχυνση α . Ισχύει:

τή απάντηση.

ην επιλογή σας.

γων,2 Να επιλέξετε

β. α

γων,1

γων,2

τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

.

γ. α

γων,1

γων,2

.

Β.25. ∆ύο ίδιοι οριζόντιοι κυκλικοί δίσκοι (α) και (ϐ) µπορούν να ολισθαίνουν πάνω σε οριζόντιο ορθογώνιο τραπέζι Γ∆ΕΖ χωρίς Επαν. Ημερ. 2011 τριβές, όπως στο σχήµα. Αρχικά οι δύο δίσκοι 15 είναι ακίνητοι και τα κέντρα τους απέχουν ίδια απόσταση από την πλευρά ΕΖ. ΄Ιδιες σταθερές δυνάµεις F µε διεύθυνση παράλληλη προς τις πλευρές ∆Ε και ΓΖ ασκούνται σε αυτούς. Στο δίσκο (α) η δύναµη ασκείται πάντα στο σηµείο Α του δίσκου. Στο δίσκο (ϐ) η δύναµη ασκείται πάντα στο σηµείο Β του δίσκου. Αν ο δίσκος (α) χρειάζεται χρόνο tα για να ϕτάσει στην απέναντι πλευρά ΕΖ, ενώ ο δίσκος (ϐ) χρόνο tϐ , τότε :

(α) tα > tϐ

(ϐ)tα = tϐ

(γ)tα < tϐ

Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. 265


Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

μμγεκήξ νάβδμξ ΑΒ μήθμοξ βάνμοξ ηζμννμπεί μνηδόκηηα Β.26. Χορεύτρια τουθαη καλλιτεχνικού πατινάζ στρέφεται χωρίς τρι-

ϐέςημίπμ µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα έχοντας τα χέρια της ανοιχτά. κε ζε θαηαθόνοθμ με

΄Οταν τα χέρια της µεταβάλλει την γωνιακή της ταθαη ζημ ζεμείμ ηεξ Θσυµπτύσσει ζε χύτητα κατά 60 % . Ο λόγος της αρχικής προς την τελική κινη) , Ε τική της ενέργεια είναι :

μα (

μννμπεί μνηδόκηηα.

K1 5 K1 5 K1 3 = (ϐ) = (γ) = νεζεί ε δύκαμε Κ πμοK2 8 K2 3 K2 5 ε νάβδμξ από ημ Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. (α)

μα.

Γ.Ασκήσεις ίκαη ημ μέηνμ ηεξ δύκαμεξ πμο δέπεηαη ε νάβδμξ από ηεκ άνζνςζε.

κμύμε ημ οπμζηήνηγμα θαη ημ ημπμζεημύμε ημ μπμίμ είκαη μέζμ ημοϐάρους ΑΙ. Πόζε Γ.1. Οµογενής ϱάβδοςζημ ΑΒΔ,µήκους L =ημ4m και w

= 100N

κ ε δύκαμε πμοισορροπεί αζθεί ημ οπμζηήνηγμα ζηεστηριζόµενη νάβδμ; οριζόντια σε κατακόρυφο τοίχο µε άρθρω-

Ε

νάβδμξ

ση και στο σηµείο της Λ σε υποστήριγµα ( ΜΛ = L/4) , Η ϱάβδος

ΑΒ ημο παναθάης ζπήμαημξ ισορροπεί οριζόντια.

είκαη

μμμγεκήξ,

έπεη

μήθμξ

θαη

θαη ηζμννμπεί μνηδόκηηα.

πμιμγηζζεί ε ηάζε ημο

ζεμείμ

Α

ε

νάβδμξ

ζημκ ημίπμ. Ακ ε ηνηβή

αη ε νάβδμξ είκαη μέγηζηε δοκαηή ώζηε κα ηζμννμπεί, κα βνεζεί μ ζοκηειεζηήξ ζηαηηθήξ

ηαλύ νάβδμο θαη ημίπμο.

(α) Να ϐρεθεί η δύναµη Ν που δέχεται η ϱάβδος από το υποστήριγµα.

α άθνα Α θαη Β ηεξ μήθμοξ ζώμαηα με (ϐ)μμμγεκμύξ Πόσο είναινάβδμο το µέτρο της δύναµης που έπμομε δέχεται θνεμάζεη η ϱάβδος 2από την άρθρωση. θαη

(γ) Μετακινούµε Δίκεηαητο υποστήριγµα και . το τοποθετούµε στο Ζ, το οποίο είναι το µέσο του ΑΜ. Πόση είναι πλέον η δύναµη που ασκεί το υποστήριγµα στη ϱάβδο ;

νάβδμξ είκαη αβανήξ, πμύ πνέπεη κα ημπμζεηήζμομε ημ οπμζηήνηγμα έηζη ώζηε ημ

ςκ ηνηώκ ζςμάηςκ Γ.2.καΗηζμννμπεί; ϱάβδος ΑΒ του παρακάτω σχήµατος είναι οµογενής, έχει

µήκος L και ϐάρος w = 100N και ισορροπεί οριζόντια.

άβδμξ έπεη βάνμξ

, πμύ πνέπεη κα ημπμζεηήζμομε ημ οπμζηήνηγμα ώζηε ημ

(α) Να υπολογισθεί του νήµατος. ζύζηεμα ηκατάση ηζμννμπεί; (ϐ) Στο σηµείο Α η ϱάβδος εφάπτεται στον τοίχο. Αν η τριβή που δέχεται η ϱάβδος γ) Αθαηνμύμε ημνα ισορροπεί, θαη απόναηεϐρεθεί νάβδμ θνέμεηαη μόκμ είναι µέγιστη δυνατή ώστε ο συντελεστής στατικής τριβής µεταξύ ϱάβδου και τοίχου. ημ . Πμύ πνέπεη κα ημπμζεηήζμομε ημ οπμζηήνηγμα γηα

κα ηζμννμπεί ε νάβδμξ; Πόζε είκαη ε δύκαμε πμο αζθεί ημ 266

rifysikhs.wordpress.com

οπμζηήνηγμα ζηεκ νάβδμ;

. Ηαναδεμεηνίμο, Φοζηθόξ Msc

Σειίδα 11


α) Ακ ε νάβδμξ είκαη αβανήξ, πμύ πνέπεη κα ημπμζεηήζμομε ημ οπμζ ζύζηεμα ηςκ ηνηώκ ζςμάηςκ κα ηζμννμπεί; Ακ ε νάβδμξ έπεη βάνμξ Πρόχειρες Σηµειώσεις Γ β) Λυκείου

, πμύ πνέπεη κα ημπμζεηήζμομε ημ ζύζηεμα κα ηζμννμπεί; γ) Αθαηνμύμε ημ ημ

θαη από ηε

. Πμύ πνέπεη κα ημπμζεηήζμο

κα ηζμννμπεί ε νάβδμξ; Πόζε είκαη οπμζηήνηγμα ζηεκ νάβδμ;

Γ.3. Στα άκρα Α και Β της οµογενούς ϱάβδου µήκους L = 1m http://perifysikhs.wordpress.com έχουµε κρεµάσει 2Ιηπάιεξ σώµατα µε µάζες m1Φοζηθόξ = 3kg Msc και m2 = 1kg ∆ίνεΓ. Ηαναδεμεηνίμο, 2 ται g = 10m/s .

Ομμγεκήξ νάβδμξ ΑΒ μήθμοξ

θαη βάνμοξ

ηζμννμπεί μνηδόκηηα

εκε ζε θαηαθόνοθμ ημίπμ με

ε θαη ζημ ζεμείμ ηεξ Θ ζε

ηγμα (

) , Ε

ζμννμπεί μνηδόκηηα. βνεζεί ε δύκαμε Κ πμο ε

νάβδμξ

από

ημ

ηγμα. είκαη ημ μέηνμ ηεξ δύκαμεξ δέπεηαη νάβδμξ από άνζνςζε. (α) Αν ηπμο ϱάβδος είναιε αβαρής, πού ηεκ πρέπει να τοποθετήσουµε το υποστήριγµα έτσι ώστε το σύστηµα των τριών σωµάτων να ισορροπεί ;

θηκμύμε ημ οπμζηήνηγμα θαη ημ ημπμζεημύμε ζημ Δ, ημ μπμίμ είκαη ημ μέζμ ημο ΑΙ. Πόζε (ϐ) ημ Αν οπμζηήνηγμα η ϱάβδος έχειζηε ϐάρος w = 60N , πού πρέπει να τοποθετήσουµε το υποστήριγέμκ ε δύκαμε πμο αζθεί νάβδμ; µα ώστε το σύστηµα να ισορροπεί ;

Ε

νάβδμξ

ΑΒ

ημο

παναθάης

ζπήμαημξ

είκαη

μμμγεκήξ,

έπεη

μήθμξ

θαη

(γ) Αφαιρούµε το m1 και από τη ϱάβδο κρέµεται µόνο το m2 . Πού πρέπει να τοποθετήσουµε θαη ηζμννμπεί μνηδόκηηα. το υποστήριγµα για να ισορροπεί η ϱάβδος· Πόση είναι η δύναµη που ασκεί το υποστήριγµα στην ϱάβδο ;

οπμιμγηζζεί ε ηάζε ημο

Γ.4. Μια οµογενής σανίδα ΚΛ µήκους L = 10m και ϐάρους w = ζεμείμ Α ε 1200N νάβδμξ τοποθετείται πάνω σε µια επιφάνεια ώστε το τµήµα ∆Λ µήκους L = 4m να προεξέχει της επιφάνειας. ΄Ενας άνθρωπος αη ζημκ ημίπμ. Ακ ε ηνηβή ϐάρους w1 = 800N ξεκινάει από το άκρο Κ και κινείται πάνω στη εηαη ε νάβδμξ είκαη μέγηζηε δοκαηή ώζηε κα ηζμννμπεί, κα βνεζεί μ ζοκηειεζηήξ ζηαηηθήξ σανίδα µε κατεύθυνση προς το Λ.

εηαλύ νάβδμο θαη ημίπμο.

(α) Μέχρι ποια απόσταση x από το σηµείο ∆ µπορεί να περπατήσει ώστε να µην ανατραπεί η σανίδα ;

ηα άθνα Α θαη Β ηεξ μμμγεκμύξ νάβδμο μήθμοξ θαη

έπμομε θνεμάζεη 2 ζώμαηα με

(ϐ) Πόσο είναι η µέτρο της αντίδρασης N εκείνη την στιγµή ;

Δίκεηαη

.

νάβδμξ είκαη αβανήξ, πμύ πνέπεη κα ημπμζεηήζμομε ημ οπμζηήνηγμα έηζη ώζηε ημ ηςκ ηνηώκ ζςμάηςκ κα ηζμννμπεί;

νάβδμξ έπεη βάνμξ

, πμύ πνέπεη κα ημπμζεηήζμομε ημ οπμζηήνηγμα ώζηε ημ ζύζηεμα κα ηζμννμπεί;

267


.άθνμ Ιηα Ημμμγεκήξ

ζακίδα ΗΘ μήθμοξ

θαη βάνμοξ

κς ζηε ζε μηα επηθάκεηα ώζηε ημ ημήμα ΔΘ μήθμοξ ύζοκζε ςπμξ

ημπμζεηείηαη

κα πνμελέπεη ηεξ επηθάκεηαξ. Έκαξ

Μιχάλης Ε. Καραδηµητρίου

οξ πόζηαζε από ημ άεη από ημ άθνμ Η ζεμείμ Δ μπμνεί κα πενπαηήζεη ώζηε κα μεκ ακαηναπεί ε

ηκείηαη πάκς ζηε

α με θαηεύζοκζε είκαη ε μέηνμ ημ Θ.

ηεξ

ακηίδναζεξ

εθείκε

ηεκ

ζηηγμή;

Γ.5.΄Ενας µηχανικός ϐάρους w1 = 800N ϐρίσκεται πάνω σε µια

έπνη πμηά απόζηαζε απόοµογενή ημ ζεμείμ σανίδα Δ μπμνεί ΑΒ, κα πενπαηήζεη ώζηε κα μεκκαι ακαηναπεί ε οριζόντια µήκους L = 10m ϐάρους ακηθόξ βάνμοξ βνίζθεηαη πάκς ζε μηα μνηδόκηηα μμμγεκή ζακίδα α;

w =

500N . Η σανίδα κρέµεται από δύο κατακόρυφα σχοινιά που είναι

θαη βάνμοξ . Α και Β. ΄Ολο το σύστηµα ισορροπεί οριζόντιο δεµένα στα άκρα Πόζμ είκαη ε μέηνμ ηεξ ακηίδναζεξ εθείκε ηεκ ζηηγμή; όπως ϕαίνεται στο σχήµα. αη από δύμ θαηαθόνοθα ζπμηκηά πμο είκαη δεμέκα ζηα άθνα Α θαη Β. Όιμ ημ

εί μνηδόκηημ όπςξ θαίκεηαη ζημ

. Έκαξ μεπακηθόξ βάνμοξ

νεζμύκ ήθμοξ